1 Komponenten des Steuerungssystems
Die Komponenten eines industriellen Steuerungssystems können in zwei Kategorien, je nachdem, wo sie sich befinden, weitgehend unterteilt werden: Kontrollzentrumgeräte und Remote -Standortgeräte. Control Center -Geräte befinden sich im System Control Center und umfassen die Human Machine Interface (HMI), Ingenieur Workstations und History Server (Historiker). Remote Site -Geräte sind Geräte, die sich an der Produktionsstelle befinden und direkt mit Aktuatoren und Sensoren verbunden sind, deren Hauptfunktion darin besteht, den physischen Prozess zu überwachen und zu steuern. Obwohl Standortgeräte normalerweise nicht direkt mit Menschen interagieren, werden sie eher angegriffen und beeinträchtigt, da Produktionsstandorte normalerweise weniger sicher sind als Kontrollzentren.
1.1 Steuerungsausrüstung
Human Machine Interface HMIS (manchmal auch SCADA -Systeme genannt) sind Systeme, mit denen Operatoren Prozesse überwachen und steuern können. HMIS HMIS sind in der Regel reine Softwareanwendungen, die auf einem allgemeinen Computer ausgeführt werden und in der Regel in der Microsoft Windows-Familie von Betriebssystemumgebungen ausgeführt werden. Zu den gemeinsamen HMIs in der Industrie gehören Wonderware, Siemens 'Wincc, Rockwells RSView und Areva E-Terra, wobei Kinseal auch eine gute Wahl ist.
History Server Historian ist ein Datenbankserver, der den Verlauf des Status eines Prozesssteuerungssystems aufzeichnet. In einigen Fällen kann der Historiker, wenn er leistungsfähig genug ist, auch als HMI für das Steuerungssystem verwendet werden. Der Historiker betreibt in der Regel wichtige Betriebssysteme und gemeinsame Hardwaregeräte und spiegelt sich normalerweise im Unternehmensnetzwerk wider.
1.2 Remote Site -Geräte
Zu den Remote -Site -Geräten gehören SPS, Remote -Terminaleinheiten RTUs, intelligente elektronische Geräte IEDs und elektronische Relais. Obwohl die Funktionen dieser Geräte stark variieren, können sie aufgrund ihres Standorts und ihrer Ähnlichkeiten grob gruppiert werden. Es gibt auch Ähnlichkeiten in der Hardwarearchitektur, die in diesen Geräten verwendet werden, die im Allgemeinen analoge oder digitale Eingangs-/Ausgangsfunktionen (E/A) und Steuerfunktionen liefern. Sie lesen Daten direkt von Sensoren und senden Betriebsbefehle an Aktuatoren. In einigen Fällen sind sie mit anderen Feldgeräten verbunden.
In diesem Artikel finden Sie eine vereinfachte Diskussion der Geräte. In der Tat führt jedes dieser oben genannten Geräte (SPS, RTUs, IEDs und elektronische Relais) eine bestimmte Teilmenge von Funktionen im Steuerungssystem für Steuerungssysteme (ORM) aus. Zum Beispiel ist RTUS, die normalerweise die Funktion von SCADA -Systemen sind, die nur Feld -E/A -Steuerung liefern, die Probenahme über Feld -E/A -Sensoren durchführen. RTUs erzeugt RTUs für Aktuatoren. Elektronische Relais führen immer die Abtast- und Auslöserfunktionen aus. Die RTU generiert Statusdaten -Feldpunkte und verarbeitet in einigen Fällen die Felddatenfeldpunkte. Relais generieren Statusdaten -Feldpunkte, aber es ist weniger wahrscheinlich, dass die Feldzahlen für kommandierte Daten verarbeiten. Zusätzlich zur Kommunikation mit Sensoren, Aktuatoren und Kontrollfunktionen auf höherer Ebene haben SPS wichtige lokale Kontrollfunktionen. Diese Funktionen mögen ähnlich erscheinen, aber es gibt signifikante Unterschiede in den Ormen.
2 Typische Kontrollsystemarchitektur
Abbildung 1 zeigt eine typische Architektur des Steuerungssystems. In IT kommuniziert ein gemeinsamer kommerzieller PC, der ein HMI ausführt, mit Feldgeräten wie PLCs über Standard -Netzwerkprotokolle (z. B. Ethernet). Die Ingenieurstation und die Verlaufsdatenbank sind in der Regel auch gewöhnliche kommerzielle PCs oder Server, die über Standard -Netzwerkprotokolle mit den Feldgeräten kommunizieren. Feldgeräte verbinden sich mit anderen Feldgeräten mit Ethernet-basierten industriellen Steuerungsprotokollen wie Fieldbus. Einige Feldgeräte verbinden sich mit intelligenten Geräten mit seriellen Buskommunikationsprotokollen wie RS232 oder RS485, und einige Feldgeräte verbinden sich direkt an Sensoren, I \ o -Geräte und Maschinengeräte.
3 programmierbare Logik -Controller plc
Ein SPS ist ein Feldgerät, das direkt mit Sensoren und Aktuatoren oder anderen Feldgeräten verbunden werden kann. Die Plcs werden lokal durch Logikprogramme gesteuert (im Allgemeinen in einem Format, das gemäß den IEC 61131-3 Standard definiert ist), und können Kontrollbefehle und Anfragen von HMI über die Kontrollsysteme. Verwenden Sie im Wesentlichen die gleichen zugrunde liegenden Komponenten. Typen verwenden im Wesentlichen dieselben zugrunde liegenden Komponenten.
3.1 SPS -Programmierung
SPS können mit einer der in IEC 61131-3 aufgeführten Sprachen programmiert werden:
Leiterdiagramm (LD), grafisch
Funktionsblockendiagramm (FBD), grafisch
Strukturierter Text (ST), Textual
Anweisungsliste (IL), Textual
Sequenzfunktionsdiagramm (SFC), grafisch
Die SPS arbeitet in zyklischen Zyklen, die als "Scans" bezeichnet werden und aus Eingängen, logischer Ausführung und Ausgängen bestehen.
3.2 Allgemeine modulare SPS -Architektur
Modulare PLCs bestehen aus einzelnen Modulen, die durch eine Backplane verbunden sind. Eine nicht modulare SPS integriert alle Komponenten in eine einzige Karte.
3.3 SPS -Modulinteraktion
In der in Abbildung 2 gezeigten allgemeinen SPS-Architektur hat jedes Modul einen physischen Steckplatz und wird eine Reihe von Backplane-Adressen zugewiesen. Interface -Register und Puffererinnerungen werden im Bereich von Backplane -Adressen freigelegt. Nachrichten werden von Modulen gesendet und empfangen, die an Register oder andere Modulpuffer lesen und schreiben.
3.4 Prozessormodul
Das Prozessormodul ist das Herz der SPS. Es implementiert die Koordination zwischen Modulen und wird manchmal als Backplane -Schiedsrichter verwendet. Das Prozessormodul konfiguriert andere Module beim Einschalten, wenn sie ihre eigenen Konfigurationen nicht speichern.
Das Prozessormodul interpretiert und führt Leiterlogik aus, liest Werte aus dem Kommunikationsmodul oder dem E/A -Modul, behält den Betriebszustand bei, fährt "Scan" -Zyklen der Leiterlogik aus und schreibt Ausgangswerte in das Kommunikationsmodul oder das E/A -Modul.
3.5 Kommunikationsmodul
Die Kommunikationsmodule nehmen den Code des Kommunikationsprotokolls aus dem Prozessormodul. Sie nehmen die zeitkritischen Protokoll-Interaktionsdaten aus dem Prozessormodul, um sicherzustellen, dass sich das Prozessormodul in seiner eigenen zeitempfindlichen Kontrollschleife befindet. Da einige Kontrollsystemprotokolle sehr komplex sind, kann das Kommunikationsmodul eine hohe Verarbeitungsleistung aufweisen, sodass das Kommunikationsmodul so komplex sein kann wie das Prozessormodul.
3.6 E/A -Module
E/A -Module konvertieren Signale zwischen niedriger Spannung (3,3 Volt oder 5 Volt), Kontrolllogik und Hochspannung mit niedrigem Strom (Milliampere -Pegel) und hoher Spannung (24 Volt oder mehr), hoher Strom (Ampere -Level) Prozessregelung. Analoge E/A-Module enthalten Analog-Digital-Wandler (ADCs) und Digital-analog-Konverter (DACS). Diese Module haben eine relativ einfache Logik und relativ wenig intelligente Hardware, und ihre einzige Aufgabe ist es, zwischen analogen und digitalen Signalen umzuwandeln.
3.7 Prozessoren für allgemeine Zwecke
Es gibt drei Arten von Prozessorarchitekturen am häufigsten in SPS:
Armarchitektur (7 oder 9 Serie)
Motorola/Freescale 68000 Serie Architektur
IBMs Machtarchitektur
Die ARM -Architektur wurde von ARM entworfen, einem in Großbritannien mit mehr als 1.700 Mitarbeitern ansässigen Unternehmen. Arm stellt keine Chips her, sondern entwirft und lizenziert das geistige Eigentum (IP) für sie. (1) Die ARM -Architektur wird häufig in eingebetteten Systemen und Geräten eingesetzt und hat einen besonders großen Anteil an Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefonen und persönliche digitale Assistenten (PDAs) mit einem Marktanteil von über 90%. (2) ARM-Prozessoren können im Big-Endian- oder Little-Endian-Modus ausgeführt werden und auch den ARM (32- Bit) und den Daumen (16- Bit) Anweisungssätze verwenden. Armprozessoren sind häufig Teil der angepassten Systeme-On-Chips (SOCS).
Die Motorola (jetzt Freescale) 68000 -Serie ist ein 32- -Bit -Komplex -Befehlssatz (CISC) -Mikroprozessor. Es wird in eingebetteten Systemen häufig verwendet. Es war der meistverkaufte 32- -Bit-Architekturprozessor im Jahr 2000, und die 68000-Serie ist Big-Endian.
Die Power-Architektur umfasst PowerPC, eine von IBM, Freescale, AMCC, Tundra und PA SEMI implementierte Microprozessor-Architektur (Reduced Instruction Set). Die Power-Architektur verwendet Big-Endian-Byte-Sequenzen.
3.8 Speicherlayout
PLCs verwenden normalerweise nicht flüchtiger Flash-Speicherspeicher, um die Firmware- und Ladder-Logikprogramme des Prozessormoduls (oder andere IEC 61131-3 Sprachen) zu speichern. Die Adresse des Flash-Speichers wird dem Adressraum des Prozessors zugeordnet, ebenso wie die Steuerregister anderer Einrichtungsgeräte. RAM wird verwendet, um den Laufzeitstatus zu speichern.
3.9 eingebettete Betriebssysteme
Viele eingebettete Betriebssysteme sind auch Echtzeit-Betriebssysteme (RTOs). Um als RTOs betrachtet zu werden, muss das Betriebssystem "deterministisch verzögert werden oder eine schlimmste Interrupt-Verzögerung oder eine Kontextschalterzeit garantieren".
SPS verwenden häufig kommerzielle RTOS-Implementierungen wie VXWorks, Windows CE oder QNX, können jedoch auch benutzerdefinierte "interne" Betriebssysteme verwenden. Obwohl einige Hersteller noch nicht häufig sind, haben sie begonnen, Linux-basierte Betriebssysteme auf SPS zu verwenden.