Техинческие средства информатизации

1.Достоинства и недостатки использования компьютеров в качестве ПЛК

Компьютер может быть превращен  в полноценный контроллер, если на него установить:

• систему программирования контроллеров (например, CoDeSys или ISaGRAF),
• электронный диск вместо обычного жесткого диска;
• платы ввода-вывода или внешние модули ввода-вывода;
• сторожевой таймер.

Электронный диск представляет собой ПЗУ, состоящее из микросхем  флэш-памяти и конструктивно выполненное  в виде корпуса обычного жесткого диска формата 2.5", 3.5" или 5.25" со стандартными интерфейсами IDE и SCSI. Основным достоинством электронного диска  является его высокая устойчивость к вибрациям, отсутствие акустического  шума, высокая надежность, низкое энергопотребление, малый вес.

Платы и внешние модули ввода-вывода для компьютера выпускаются  многими независимыми производителями, что стало возможным благодаря  наличию стандартов на конструктивное исполнение и шины как промышленных, так и офисных компьютеров.

Сторожевой таймер служит для перезагрузки компьютера в случае его зависания. Заметим, что компьютер  имеет гораздо большее, чем контроллер, время перезагрузки при использовании  офисной операционной системы Windows.

К достоинствам персональных компьютеров (ПК) при их использовании в качестве контроллеров относятся:

• на порядок большая емкость оперативной памяти;
• наличие жесткого диска с практически неограниченной емкостью;
• на порядки более высокое быстродействие;
• быстрое развитие аппаратного обеспечения (модернизация компьютеров происходит каждые 4..6 месяца, контроллеров - через 3...5 лет);
• в несколько раз более низкая цена;
• наличие большого числа специалистов, хорошо владеющих персональным компьютером;
• поддержка компьютером DVD и CD-ROM дисководов, принтера, звуковых карт, систем распознавания и синтеза речи, систем распознавания образов и текста, а также других средств, недоступных для контроллера;
• легкая замена компьютера на более мощный без изменения программного обеспечения;
• поддержка клавиатуры, мыши и монитора;
• возможность комплектации компьютера из частей, производимых большим числом независимых производителей;
• возможность создания всей системы автоматизации с помощью SCADA пакетов (например, MasterSCADA, Trace Mode), без привлечения систем программирования контроллеров и средств связи контроллера с компьютером;
• наличие стандартов на шины, что обеспечивает большое число независимых поставщиков стандартных компьютерных плат.

Хотя промышленные компьютеры, приближаясь по условиям эксплуатации к контроллерам, утрачивают некоторые  из достоинств ПК (такие, как быстродействие, быстрота модернизации, низкая цена), другие достоинства ПК делают их широко распространенными  и востребованными в промышленности.

С развитием промышленных компьютеров и контроллеров происходит стирание различий между ними. Тем  не менее, остается ряд отличий, которые  уже нельзя назвать существенными, но которые встречаются наиболее часто. Типовой компьютер, в отличие  от типового контроллера, имеет:

• мышь, клавиатуру и монитор;
• жесткий диск;
• узкий температурный диапазон (от 0 до +50 ºС);
• операционную систему Windows (иногда используют ОС реального времени Windows CE, QNX, RTOS);
• вентилятор для охлаждения процессора и блока питания.

В промышленных компьютерах  иногда используют операционную систему  реального времени, однако она не всегда является необходимой даже в  системах автоматического управления. Например, серийно выпускаемые системы  управления микроклиматом в промышленных теплицах "Агротерм" фирмы НИЛ АП (www.RealLab. ru) на протяжении многих лет прекрасно зарекомендовали себя, реализуя несколько десятков контуров ПИД-регулирования при одновременном архивировании нескольких сотен параметров. Все перечисленные задачи решаются с помощью всего одного персонального компьютера с ОС Windows XP и модулей ввода-вывода серии RealLab!. Недостатком компьютеров с ОС Windows является большое время перезагрузки системы при ее зависании.

2) Наиболее типичным применением ПК в задачах автоматизации является организация рабочего места оператора (диспетчера). Компьютер здесь выполняет роль человеко-машинного интерфейса (ЧМИ). Для улучшения эргономичности и эффективности работы оператора используют SCADA-пакеты с использованием звука, анимации, высококачественной цветной графики и множеством интеллектуальных функций, облегчающих работу оператора.

Для создания ЧМИ используют мониторы с сенсорным экраном, плазменные панели, проекторы экрана компьютера на стену, трекбол, звуковые колонки, сирены, клавиатуры со степенью защиты от IP-20 до IP-67.

Трекбол аналогичен компьютерной мыши, которая перевернута шариком вверх, и имеет размер шарика от 1 см до 4-6 см в диаметре. Трекбол удобен тем, что при его использовании запястье руки остается неподвижным, он не требует много места и может быть использован в условиях тряски и вибрации.

Сенсорный экран представляет собой стеклянную или пластиковую пластину, прикрепленную поверх экрана обычного монитора. Для определения координат касания экрана пальцем оператора используют в основном четыре физических принципа: поглощение пальцем энергии поверхностных акустических волн, изменение емкостного тока при касании экрана, изменение сопротивления между двумя прозрачными проводящими поверхностями при надавливании пальцем и принцип затенения инфракрасных лучей, исходящих из излучателей по периметру экрана. Наибольшее распространение получили резистивные и емкостные сенсорные экраны.

В промышленной автоматизации  используются также панели оператора, которые вместо клавиатуры имеют несколько специализированных кнопок, а вместо монитора - миниатюрный дисплей, на котором умещается всего несколько строк текста или графики. Такие устройства подключаются к СОМ-порту компьютера.

Для монтажа на панель (на дверцу шкафа, на стену) используют панельные  компьютеры, которые объединяют в  одном конструктиве процессорный блок, дисплей с сенсорным экраном и клавиатуру.

Промышленные  компьютеры

Промышленные компьютеры существенно отличаются от офисных по конструктивным признакам, однако используют те же микропроцессоры и архитектуру. Основными отличиями являются следующие:

• разъемы для сменных плат устанавливаются на пассивной объединительной панели, а не на материнской плате;
• для сменных плат используются надежные штырьковые разъемы;
• для смены плат не нужно раскрывать корпус;
• используются специализированные промышленные компьютерные шины CompactPCI, AdvancedTCA, COMExpress, VME, VXI и др.;
• вместо жесткого диска может быть использована флэш-память;
• наличие сторожевого таймера;
• применение вентиляторов со сменным пылеулавливающим фильтром или отсутствие вентиляторов;
• прочная несущая конструкция с надежным креплением плат пружинящими планками с винтовыми зажимами;
• применение блоков питания повышенной надежности, с защитой от к.з. по выходу и с расширенным диапазоном сетевых напряжений (от 100 до 250 В); резервирование блоков питания;
• наличие энергонезависимой оперативной памяти (с аккумуляторным питанием), которая сохраняет данные при сбоях или исчезновении питания;
• в одном конструктиве и на одной объединительной шине может располагаться несколько компьютерных систем;
• наличие съемной флэш-памяти;
• применение, кроме Windows, операционных систем DOS, Linux и операционных систем реального времени.

Конструктивное исполнение промышленного компьютера обеспечивает защиту от пыли, влаги, вибрации, электромагнитных наводок и облегчает техническое  обслуживание. Для работы в диапазоне  температур от -40 до +70 ºС используется индустриальная элементная база с расширенным температурным диапазоном или, если это возможно, искусственный подогрев и принудительное охлаждение.

Монтаж промышленного  компьютера может быть выполнен в  стандартной 19-дюймовой стойке, на панели, на столе, на стене, на DIN-рейке и в специализированном конструктиве. Органы управления промышленным компьютером (кнопка сброса, питания и клавиатура) могут закрываться дверцей с ключом.

По быстродействию и емкости  памяти промышленные компьютеры всегда уступают офисным, что связано с  большой длительностью разработки новых модификаций: за время разработки промышленного компьютера успевает смениться несколько поколений  офисных ПК. Это объясняется несравненно  меньшей емкостью рынка промышленных компьютеров по сравнению с офисными, которая определяет размер инвестиций в новые проекты.

Подавляющее большинство  промышленных компьютеров относится  к магистрально-модульным системам. Они не имеют объединительной  материнской платы, вместо нее используется пассивная кросс-плата (соединительная плата), содержащая только разъемы, соединенные  общей магистралью. Все платы  компьютера вставляются в корпус спереди и закрепляются планками с амортизаторами для повышения  виброустойчивости. Это сделано для удобства замены плат при обслуживании. Платы соединяются с кросс-платой с помощью штырьковых разъемов, которые гораздо надежнее печатных разъемов в офисных ПК. Количество слотов для сменных плат превышает 10.

Для промышленных компьютеров  существует несколько стандартов, направленных на обеспечение открытости таких  систем. Открытые стандарты для шин  промышленных компьютеров разрабатывает  консорциум PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group), в состав которого входят более 450 компаний компьютерной индустрии и телекоммуникации. Консорциум был организован в 1994 году и результатами его работы являются стандарты PCI, CompactPCI, AdvancedTCA, COMExpress и др.

Стандарт PICMG 1.0 позволяет  разместить до 20 плат расширения в одном  корпусе и предусматривает применение шин PCI и ISA, которые имеют общую  пропускную способность 538 Мбайт/с.

Стандарт PICMG 1.3 базируется на последовательной шине PCI Express. В основе PCI Express лежит последовательная передача данных по нескольким независимым последовательным каналам передачи (от 1 до 32), что исключает необходимость синхронизации битов в передаваемом слове, как в параллельных шинах. Каждый канал PCI Express состоит из двух однонаправленных линий передачи (по одной в каждом направлении) и использует физический уровень стандарта LVDS (Low Voltage Differential Signaling - "низковольтная дифференциальная передача сигнала"), который основан на балансном способе передачи сигнала по витой паре проводов. Тактовая частота канала составляет 2,5 ГГц, что обеспечивает пропускную способность одной линии передачи 250 Мбайт/с и всей шины до 8 Гбайт/с в каждом направлении при количестве линий 32. Применение шины PCI Express позволяет установить сразу несколько портов Ethernet 1000Base-T на одной процессорной плате и увеличить число USB портов до 10-ти.

Шина VMEbus была разработана в начале 80-х годов, но до сих пор используется достаточно широко благодаря существованию большого числа производителей и выбора плат. VMEbus платы имеют размер для конструктива "Евромеханика" (см. ниже). Пропуская способность 16-ти или 32-разрядной шины VMEbus составляет 40 Мбит/с. Существует также 64-разрядная версия шины с пропускной способностью 80 Мбит/с. Для автоматизированных измерительных систем используется шина VXI (VME eXtension for Instrumentation), которая является модификацией шины VMEbus.

Стандарт "Евромеханика" устанавливает размеры и типы печатных плат, модулей, блоков, субблоков, 19-дюймовых шкафов и стоек. В конструктиве "Евромеханика" для передачи информации между отдельными платами чаще всего используют шину Compact PCI (cPCI), которая разработана на основе обычной PCI (Peripheral Component Interconnect) шины версии 2.1. От обычной шины PCI она отличается в два раза большим числом поддерживаемых слотов (до 8-ми). Тактовая частота шины составляет 33 или 66 МГц, ширина - 32 или 64 бита, пропускная способность - 133 или 266 Мбайт/с. Конструктивно платы с шиной Compact PCI представляют собой еврокарты высотой 3U (100x160 мм) с одним разъемом или 6U (233х160 мм) - с двумя разъемами. Контакты питания в разъемах сделаны длиннее, чем сигнальные, поэтому при замене платы питание подается раньше, чем сигналы. Это делает возможной "горячую замену" плат при соответствующей доработке программного обеспечения. В системах автоматизации измерений широко используется шина PXI (PCI eXtensions for Instrumentation), разработанная фирмой National Instruments и используемая с теми же конструктивами, что и Compact PCI.

Компьютеры стандарта PC/104 являются самыми маленькими в классе магистрально-модульных систем, размер платы составляет 90х96 мм. Первые изделия  на основе этого стандарта появились  в 1992 году на транспорте и в системах обороны для управления беспилотными летательными аппаратами, в ракетных комплексах, бортовых системах контроля и навигации. Стандарт PC/104 использует шину ISA, но с измененными типами разъемов (используется 104 контакта) и  нагрузочными характеристиками линий  шины. В 1997 г. консорциум PC/104 ввел спецификацию PC/104-Plus, в которую был добавлен интерфейс PCI c 120 контактами. Позже были введены стандарты PC/104+, PCI-104 и PCI/104express с шиной PCI-Express. Платы стандартов PC/104 собираются "бутербродом" и скрепляются втулками и винтами. Такой конструктив используется для небольших систем, обычно количество плат не превышает 4-х.

Широкое распространение  в промышленной автоматизации получили также одноплатные компьютеры. Основным их достоинством является отсутствие разъемов, малые габариты, например, 90х96 мм для стандарта PC/104 или с  форм-фактором 2,5'' (100x66 мм), 3,5'' (102x144 мм) или 5,25'' (260x180 мм), малое энергопотребление.