Патент на изобретение №2349949

(54) КОМПЛЕКС ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Технический результат заключается в возможности снятия ограничений по числу модулей ввода/вывода и процессорных модулей, а также в соединении каждого процессорного модуля и модуля ввода/вывода через общую шину данных с устройствами, относящимися не только к данному контроллеру. Он достигается за счет того, что комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления технологическими процессами включает общую шину данных и, по меньшей мере, один контроллер, содержащий модули ввода/вывода для ввода и обработки сигналов от датчиков и вывода сигналов управления исполнительными механизмами, и процессорные модули для управления модулями ввода/вывода и исполнительными механизмам посредством модулей ввода/вывода, при этом модули ввода/вывода и процессорные модули подключены к общей шине данных, совмещающей в себе функции системных шин контроллеров, полевых шин и локальной сети, с возможностью образования единой сети устройств и формирования ими запросов к любому из указанных устройств и ответов на адресованные им запросы, что реализует доступ к данным каждого из устройств как со стороны устройств, входящих в тот же контроллер, так и со стороны внешних устройств, в том числе входящих в другие контроллеры, и доступ устройств каждого контроллера к данным внешних устройств, в том числе входящих в другие контроллеры. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах автоматизированного контроля и управления сложным технологическим объектом, и/или зданием, и/или группой территориально разделенных объектов с использованием средств автоматического управления.

Автоматически работающие, содержащие множество частей, крупные промышленные объекты имеют множество подлежащих взаимному управлению и регулированию отдельных функций, которые контролируются, управляются и регулируются с помощью автоматизированных систем управления. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическим процессом предприятия содержит объединенные рабочие станции и серверы на базе персональных электронных вычислительных машин, контроллеры и функциональные модули.

Известны системы автоматического управления, содержащие общую автоматизированную систему управления с приборами автоматики, соединенные между собой, по меньшей мере, через одну линию передачи данных, и местный блок передачи данных (процессорный модуль), который через элемент связи подсоединен к шине данных (см. патент РФ № 2096817, кл. G05B 19/05, опубл. 20.11.1997 г.).

Недостатком таких систем можно назвать отсутствие автономной работы процессорных модулей и модулей управления, соединенных между собой через одну линию передачи данных и через местный блок передачи данных. Процессорный модуль при таком соединении обрабатывает все сигналы, поступающие на модуль управления, что приводит к высокой загрузке процессорного модуля.

Наиболее близким аналогом заявляемому решению можно признать комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления технологическими процессами, включающий общую шину данных (ОШД) и, по меньшей мере, один контроллер, содержащий модули ввода/вывода, для ввода и обработки сигналов от датчиков и вывода сигналов управления исполнительными механизмами, и процессорные модули (ПМ) для управления модулями ввода/вывода и исполнительными механизмами посредством модулей ввода/вывода, при этом модули ввода/вывода и процессорные модули соединены системной шиной VME-bus (см. патент РФ № 2279117, кл. G05В 19/418, опубл. 20.11.1997 г.).

В качестве недостатков известного комплекса программно-аппаратных средств можно назвать ограниченное число модулей ввода/вывода и процессорных модулей в рамках одного контроллера, при этом процессорный модуль контроллера вынужден обрабатывать все сигналы, которые имеются на входах соответствующего ему контроллера, а каждый контроллер может получить информацию с другого контроллера только через его процессорный модуль. Кроме того, соединение устройств комплекса происходит через разные шины, что приводит к увеличению числа обслуживающих устройств и трудностям при обращениях к устройствам.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание распределенной и одновременно сквозной системы контроля и управления на базе единой системной шины контроллера.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности снятия ограничений по числу модулей ввода/вывода и процессорных модулей, выполняющих собственную задачу и полностью или частично резервирующих работу других модулей, а также в соединении каждого процессорного модуля и модуля ввода/вывода через общую шину данных с устройствами, относящимися не только к данному контроллеру, и обеспечении доступа через общую шину данных к каждому модулю ввода/вывода со стороны устройств, не входящих в состав данного контроллера, без использования процессорных модулей данного контроллера, что приводит к увеличению надежности всей системы и позволяет легко масштабировать задачу управления.

Указанный технический результат достигается за счет того, что комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления технологическими процессами, включающий общую шину данных (ОШД) и, по меньшей мере, один контроллер, содержащий модули ввода/вывода для ввода и обработки сигналов от датчиков и вывода сигналов управления исполнительными механизмами, и процессорные модули (ПМ) для управления модулями ввода/вывода и исполнительными механизмами посредством модулей ввода/вывода, при этом модули ввода/вывода и процессорные модули подключены к общей шине данных с использованием единого набора транспортных и логических протоколов с возможностью образования единой сети устройств и формирования запросов к любому из указанных устройств и ответов на адресованные им запросы.

А также тем, что он дополнительно содержит модули управления, комбинирующие в себе функции модулей ввода/вывода и процессорных модулей.

А также тем, что он дополнительно содержит интеллектуальные датчики и интеллектуальные исполнительные механизмы, подключенные к общей шине данных.

А также тем, что он дополнительно содержит рабочие станции и/или серверы, подключенные к общей шине данных для визуализации, архивирования и документирования данных, получаемых от модулей ввода/вывода, процессорных модулей и модулей управления, подключенных к общей шине данных, сигнализации, оперативного и автоматического управления технологическим процессом, программирования и обслуживания всех входящих в систему устройств и реализуемых ею функций.

А также того, что он дополнительно содержит операторские панели, подключенные к общей шине данных.

А также тем, что он содержит дополнительные процессорные модули.

А также тем, что модули ввода/вывода и модули управления вынесены из контроллера и приближены к объекту управления.

А также тем, что модули ввода/вывода, и/или процессорные модули, и/или модули управления объединяются в общие корпуса, или крейты, или каркасы, или шасси, или шкафы, и/или защитные оболочки, обеспечивающие их общее электропитание, единую систему клемм, теплоотвода и защиты от влияния внешней среды.

А также того, что общая шина данных выполнена на базе Ethernet, или Arcnet, или Talking-ring.

А также того, что общая шина данных выполнена на базе различных физических сред передачи данных: коаксиальный кабель, и/или витая пара, и/или оптическая кабельная система, и/или беспроводная реализация на основе радио.

А также того, что общая шина данных содержит устройства: усилители, и/или согласователи, и/или переходники с одной физической реализации на другую.

А также тем, что общая шина данных содержит устройства, реализующие ее сегментирование посредством ограничения передачи большей части данных в рамках выделенных сегментов, не препятствуя при этом обмену данными между элементами разных сегментов.

А также тем, что общая шина данных выполнена резервированной с использованием различных физических носителей и методов с неограниченной кратностью.

А также тем, что единый набор транспортных и логических протоколов включает в себя протокол TCP/IP, и/или UDP/IP, и/или MODBUS, и/или BACnet.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема функционирования распределенного контроллера; на фиг.2 показана схема системы управления технологической установкой.

Автоматизированная система контроля и управления на базе комплекса программно-аппаратных средств автоматизации в общем случае состоит из общей шины данных 1 (ОШД) и, по меньшей мере, одного контроллера 11, содержащего модули ввода/вывода 3 (УСО) для ввода и обработки сигналов от датчиков и вывода сигналов управления исполнительными механизмами, и процессорные модули 2 (ПМ) для управления модулями ввода/вывода 3 и исполнительными механизмами посредством модулей ввода/вывода 3 (УСО). В основу создания комплекса положена идея «открытого распределенного контроллера». Все элементы комплекса объединены одной независимой или любым способом с неограниченной кратностью, с использованием разных физических носителей и методов резервированной шиной данных 1. В качестве технологии реализации общей шины данных может использоваться Ethernet, или Arknet, или Talking-ring с использованием различных скоростей передачи данных и различных физических сред передачи данных, таких как коаксиальный кабель, витая пара, оптическая кабельная система, беспроводная реализация на основе радио. Она может также содержать вспомогательные устройства: усилители, согласователи, переходники с одной физической реализации на другую и любые другие устройства, обеспечивающие функционирование шины данных. Общая шина данных 1 может содержать устройства 10, реализующие ее сегментирование посредством ограничения передачи большей части данных в рамках выделенных сегментов, не препятствуя при этом обмену данными между элементами разных сегментов.

Модули ввода/вывода 3 (УСО) и процессорные модули 2 (ПМ) подключены к общей шине данных 1 с использованием единого набора транспортных и логических протоколов, с возможностью образования единой сети устройств и формирования запросов к любому из указанных устройств и ответов на адресованные им запросы. Единый набор транспортных и логических протоколов может включать в себя протокол TCP/IP, UDP/IP, MODBUS, BACnet.

Комплекс программно-аппраратных средств может включать модули управления 4, комбинирующие в себе функции модулей ввода/вывода 3 и процессорных модулей 2, а также рабочие станции 8, подключенные к общей шине данных 1 для визуализации, архивирования и документирования данных, получаемых от модулей ввода/вывода 3, процессорных модулей 2 и модулей управления 4 (подключенных к общей шине данных 1), сигнализации, оперативного и автоматического управления технологическим процессом, программирования и обслуживания всех входящих в систему устройств и реализуемых ею функций. Система может содержать операторские панели 7, также подключенные к общей шине данных 1, а также серверы данных 9 или дополнительные процессорные модули 2. Отдельные модули ввода/вывода 3 и модули управления 4 могут быть вынесены из контроллера 11 и приближены к объекту управления. Модули ввода/вывода 3, процессорные модули 2 и модули управления 4, входящие в систему, объединяются в общие элементы 12: корпуса, крейты, каркасы, шасси, шкафы, защитные оболочки, обеспечивающие их общее электропитание, единую систему клемм, теплоотвода и защиты от влияния внешней среды. Система может содержать также интеллектуальные датчики 5 и интеллектуальные исполнительные механизмы 6, подключенные к общей шине данных.

Управление процессом в предлагаемом решении на базе предлагаемого программно-аппаратного комплекса выглядит следующим образом. Сигналы от датчиков поступают на входы модулей ввода/вывода 3, и/или модулей управления 4, и/или непосредственно доступны через общую шину данных 1 при использовании интеллектуальных датчиков 5. Далее сигналы преобразуются перечисленными устройствами и становятся доступны через общую шину данных 1 любым устройствам, подсоединенным к ней. Процессорные модули 2 и/или модули управления 4 обрабатывают значения сигналов от датчиков, могут вести локальные архивы и на основании зашитых в них программ формируют значения управляющих сигналов, подключенных к выходам модулей ввода/вывода 3, и/или модулей управления 4, и/или команды для интеллектуальных исполнительных механизмов 6, подключенных к общей шине данных 1. Рабочие станции 8 и/или серверы 9 могут получать значения сигналов и/или содержимое локальных архивов от процессорных модулей 2 и/или модулей управления 4 и напрямую у модулей ввода/вывода 3, и/или интеллектуальных датчиков 5, и/или интеллектуальных исполнительных механизмов 6.

Возможность прямого запроса серверов 9 и рабочих станций 8 данных от модулей ввода/вывода 3, датчиков и исполнительных механизмов снимает часть нагрузки с процессорных модулей 2 контроллеров 11, поскольку у них нет необходимости выполнять соответствующие запросы, обрабатывать их, а затем отвечать на запросы рабочих станций. Это также сокращает общий объем передаваемой информации, поскольку запрос на данные выполняется только один раз. С другой стороны возможность получить доступ к любым устройствам, подключенным к общей шине данных 1, позволяет, не вмешиваясь в работающие процессы, используя имеющиеся устройства, расширить функции системы добавлением новых устройств. Кроме того, отсутствие ограничений на число процессорных модулей и свободный доступ ко всем устройствам системы позволяет гибко подойти к задачам повышения надежности системы. Это может достигаться как за счет обычного резервировании (дублирования, троирования и далее) процессорных модулей, так и за счет разнесения функций на несколько процессорных модулей и частичного функционального резервирования их, когда часть функций одного процессорного модуля может быть выполнена другим.

Перечисленные особенности системы с общей шиной данных приводят к увеличению надежности всей системы и позволяют легко масштабировать задачу управления.

Осуществление заявляемого открытого распределенного контроллера иллюстрируется не исчерпывающим примером работы системы управления (фиг.2) технологической установкой.

Технологическая установка состоит из трех участков: участок складирования и подготовки сырья, участок контактирования, например реактор, участок готового продукта и его складирования.

Система управления включает в себя две рабочие станции для операторов, ведущих технологический процесс (РС1 и РС2), и одну инженерную станцию, реализующую задачи программирования и обслуживания системы управления (РС3).

Каждый технологический участок управляется отдельным контроллером, состоящим из, по меньшей мере, двух крейтов с установленными в них резервированными процессорными модулями (ПМ) и модулями ввода/вывода (УСО), а также набора дополнительных, вынесенных ближе к технологическому оборудованию модулей ввода./вывода (УСО) и комбинированных модулей (МУ). Каждый крейт обеспечивает общее питание установленных в него модулей и подключение их к общей шине данных. Процессорные модули, управляющие каждым участком, взаимодействуют с относящимися к этому участку модулями ввода, вывода и комбинированными модулями, установленными в соответствующие крейты и вынесенными к технологическому оборудованию. Однако для ряда задач им требуются данные от модулей ввода/вывода других участков. За этими данными процессорные модули обращаются напрямую по общей шине данных, минуя обращение к процессорным модулям, реализующим управление соответствующим участком.

Кроме того, в системе присутствуют два резервированных процессорных модуля, выполняющих задачи оптимизации всего технологического процесса. Они установлены в отдельном крейте. Они обращаются за данными к модулям УСО, ПМ и УМ каждого контроллера, рассчитывают оптимальные параметры управления и передают в ПМ и УМ контроллеров соответствующие задания. В этом же крейте установлен еще один процессорный модуль, который может взять на себя управление любым из участков технологического процесса в случае отказа процессорных модулей, реализующих это управление штатно.

Рабочие станции взаимодействуют с процессорными модулями, управляющими технологическим процессом, запрашивая у них обработанные ими данные и передавая им команды управления и значения уставок. Однако часть данных, которые не участвуют непосредственно в управлении, но требуются для представления их оператору, рабочие станции запрашивают напрямую у модулей ввода/вывода или комбинированных модулей.

Общая шина разделена на четыре сегмента:

1) Сегмент устройств, обслуживающих первый технологический участок (первый контроллер с размещенными на объекте выносными модулями);

2) Сегмент устройств, обслуживающих второй технологический участок (второй контроллер с размещенными на объекте выносными модулями);

3) Сегмент устройств, обслуживающих третий технологический участок (третий контроллер с размещенными на объекте выносными модулями);

4) Сегмент устройств оперативного контура управления (рабочие станции операторов РС1 и РС2, инженерная станция РС3, процессорные модули, выполняющие оптимизацию и резервный процессорный модуль, вставленные в Крейт ПМ).

Все устройства каждого сегмента воспринимают все запросы, посылаемые в рамках данного сегмента, и реагируют на запросы, обращенные конкретно им. При этом для каждого устройства любого сегмента доступны для запроса все устройства системы управления.

Формула изобретения

1. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления, включающий общую шину данных и, по меньшей мере, один контроллер, содержащий модули ввода/вывода, для ввода и обработки сигналов от датчиков и вывода сигналов управления исполнительными механизмами, и процессорные модули для управления модулями ввода/вывода и исполнительными механизмами посредством модулей ввода/вывода, отличающийся тем, что модули ввода/вывода и процессорные модули подключены к общей шине данных, совмещающей в себе функции системных шин контроллеров, полевых шин и локальной сети, с возможностью образования единой сети устройств и формирования ими запросов к любому из указанных устройств и ответов на адресованные им запросы, что реализует доступ к данным каждого из устройств, как со стороны устройств, входящих в тот же контроллер, так и со стороны внешних устройств, в том числе входящих в другие контроллеры, и доступ устройств каждого контроллера к данным внешних устройств, в том числе входящих в другие контроллеры.

2. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит модули управления, подключенные к общей шине данных, комбинирующие в себе функции модулей ввода/вывода и процессорных модулей, и/или датчики и/или исполнительные механизмы, подключенные к общей шине данных.

3. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1 или 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рабочие станции и/или серверы, подключенные к общей шине данных для визуализации, архивирования и документирования данных, получаемых от модулей ввода/вывода, процессорных модулей и модулей управления, подключенных к общей шине данных, сигнализации, оперативного и автоматического управления технологическим процессом, программирования и обслуживания всех входящих в систему устройств и реализуемых ею функций, и/или операторские панели, подключенные к общей шине данных, и/или дополнительные процессорные модули.

4. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1 или 2, отличающийся тем, что общая шина данных выполнена на базе Ethernet, или Arcnet, или Talking-ring.

5. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1 или 2, отличающийся тем, что модули ввода/вывода и модули управления вынесены из контроллера и приближены к объекту управления.

6. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1 или 2, отличающийся тем, что модули ввода/вывода, и/или процессорные модули и/или модули управления объединяются в общие корпуса, или крейты, или каркасы, или шасси, или шкафы, и/или защитные оболочки, обеспечивающие их общее электропитание, единую систему клемм, теплоотвода и защиты от влияния внешней среды.

7. Комплекс программно-аппраратных средств по п.3, отличающийся тем, что общая шина данных выполнена на базе Ethernet, или Arcnet, или Talking-ring.

8. Комплекс программно-аппраратных средств по п.4, отличающийся тем, что общая шина данных выполнена на базе различных физических сред передачи данных: коаксиальный кабель, и/или витая пара, и/или оптическая кабельная система, и/или беспроводная реализация на основе радио.

9. Комплекс программно-аппраратных средств по п.7, отличающийся тем, что общая шина данных выполнена на базе различных физических сред передачи данных: коаксиальный кабель, и/или витая пара, и/или оптическая кабельная система, и/или беспроводная реализация на основе радио.

10. Комплекс программно-аппраратных средств по п.8 или 9, отличающийся тем, что общая шина данных содержит устройства, обеспечивающие ее работу, такие как, например: усилители, и/или согласователи, и/или коммутаторы, и/или размножители, и/или переходники с одной физической реализации на другую.

11. Комплекс программно-аппраратных средств по п.8 или 9, отличающийся тем, что общая шина данных содержит устройства, реализующие ее сегментирование посредством ограничения передачи большей части данных в рамках выделенных сегментов, не препятствуя при этом обмену данными между элементами разных сегментов.

12. Комплекс программно-аппраратных средств по п.8 или 9, отличающийся тем, что общая шина данных выполнена резервированной с неограниченной кратностью с использованием различных физических носителей и методов.

13. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1 или 2, отличающийся тем, что единый набор транспортных и логических протоколов включает в себя протокол TCP/IP, и/или UDP/IP, и/или MODBUS, и/или BACnet.

14. Комплекс программно-аппраратных средств по п.3, отличающийся тем, что единый набор транспортных и логических протоколов включает в себя протокол TCP/IP, и/или UDP/IP, и/или MODBUS, и/или BACnet.

РИСУНКИ