Статті, публікації, архів номерів

Сорок років тому групою інженерів з США на тендер з розробки автоматизованої системи управління технологічним процесом був запропонований перший у світовій практиці модульний принцип побудови керуючого пристрою з мікропрограмного управлінням. Він будувався на п'яти типових модулях, включаючи і модуль мікропрограмного управління.

Суть принципу полягала в розробці типових модулів на 8 каналів для зв'язку датчиків і виконавчих механізмів з обчислювальним пристроєм і створенні на їх базі нарощуваних вимірювально-керуючих систем для побудови системи управління транспортних засобів і технологічних процесів підприємств.

Такий підхід (рис. 1) був названий Modular Digital Control - модульне цифрове управління. Його застосування дозволило створити принципово новий напрямок в побудові систем управління. Виробники обладнання по достоїнству оцінили його, і число компаній, що випускають модульні керуючі контролери, стало стрімко збільшуватися.

На перших порах модулі зв'язку з об'єктом і центральне обчислювальний пристрій котроллера виконувалися на мікросхемах першої - другого ступеня інтеграції і дискретних елементах, в зв'язку з чим надійність даних пристроїв була не дуже високою. Однак застосований метод модульного побудови котроллера дозволяв замінити окремий модуль без зупинки всієї системи, що було значним кроком вперед в порівнянні з традиційними немодульность системами управління, вихід з ладу елементів яких вимагав зупинки всієї системи управління на кілька днів для її діагностики і ремонту. Оскільки на складі у вигляді ЗІПа зберігалося невелика кількість типових модулів заміни, відновлення роботи систем управління не представляло великих труднощів. Відповідно, значно знизилися і витрати на експлуатацію обладнання.

З огляду на також ту обставину, що мікропроцесори, АЦП і ЦАП були виконані за технологією «кремній на сапфірі», з'явилася можливість збільшити продуктивність процесора до 64 Мбіт / с (при тактовій частоті 32 МГц) і підвищити напрацювання на відмову мікропроцесорного контролера другого покоління до 40- 50 тис. ч. Технологія «кремній на сапфірі» також дозволила мікропроцесорним контролерам працювати при рівні радіаційного випромінювання аж до 300 рентген / год і зробила їх придатними для побудови систем управління АЕС.

І все ж модульна система з Q-шиною крім ряду незаперечних переваг (зниження вартості, підвищення надійності) мала один суттєвий недолік - вона не дозволяла при однопроцессорной архітектурі створювати програмно-технічні комплекси для контролю і управління більш 500-600 каналами. При кількості входів / виходів більше 256 швидкодію системи починало різко знижуватися, а час циклу опитування датчиків - збільшуватися.

Застосування швидкодіючої цифрової шини для зв'язку з модулями контролера в мікропроцесорних контролерах 3-го покоління (рис. 4) дозволило ще більше підвищити надійність, однак проблема збільшення ємності системи та її швидкодії так і залишилася невирішеною.

Однак і розподілена мікропроцесорна структура з серверної зв'язком має слабке місце - наявність розрахункового або керуючого сервера (сервера баз даних), що забезпечує обмін інформацією між мікропроцесорними контролерами. При виході сервера з ладу повністю порушується робота всього програмно-технічного комплексу. При застосуванні дублювання розрахункового або керуючого сервера ця проблема в основному вирішується, однак безударное перемикання з основного сервера на дублюючий у всіх можливих ситуаціях залишається проблемою до теперішнього часу.

Допомогти в її вирішенні могло б створення багатопроцесорних комплексів 4-го покоління (рис. 6). І такі комплекси для створення дубльованих відмовостійких систем контролю, захистів і управління в нафтохімічній промисловості, газовому господарстві, на вибухонебезпечних виробництвах були розроблені. Суть підходу полягає в наступному. Мікропроцесорний контролер будується на базі дубльованих високопродуктивних мікропроцесорів і набору комунікаційних мікропроцесорів, що забезпечують зв'язок з цифровими датчиками по інтерфейсу RS485. При цьому забезпечується підтримка основних промислових протоколів обміну Modbus, Profibus, Multibus. Пристрої зв'язку з об'єктом виконуються також мікропроцесорними і забезпечують дубльовану зв'язок з кожним з центральних процесорів. Така архітектура дозволила підключати до інформаційно-обчислювальному комплексу (ІВК) інтелектуальні датчики і виконавчі механізми з вихідним інтерфейсом RS485 без застосування проміжних пристроїв зв'язку. Як результат - підвищилася надійність програмно-технічних комплексів до 0,9999 за 1 тис. Ч. Крім того, в модулі зв'язку та інтерфейси RS485 були вбудовані іскрозахисні бар'єри, що дозволило застосовувати дані ІВК на вибухонебезпечних виробництвах без зовнішніх іскрозахисними пристроїв. Середнє напрацювання на відмову при цьому становить, за даними статистики, 500-600 тис. Год.

Завершенням багаторічних зусиль по створенню мікропроцесорних комплексів було створення многопроцессорного нейротранспьютера (рис. 7). Це стало значним кроком вперед в порівнянні з одно- і двухпроцессорними котроллерами і розподіленими мережевими структурами. Нейротранспьютер є багатопроцесорний контролер з безпосередніми зв'язками між мікропроцесорами. Транспьютер складається з ряду модулів центральних процесорних пристроїв (від 1 до 256), в кожному модулі якого встановлено шістнадцять 16-32-розрядних процесорів з послідовними інтерфейсами. Мікропроцесори модуля об'єднані в кільце, в якому кожен мікропроцесор пов'язаний з 4 суміжними мікропроцесорами безпосередньо в модулі і з 8-ю мікропроцесорами сусіднього модуля - через оптичні роз'єми.

Датчики та виконавчі механізми підключаються до мікропроцесорній контролеру через оптичні роз'єми за допомогою зовнішніх пристроїв сполучення з об'єктом (УСО), номенклатура яких вибирається проектувальником системи.

Застосування оптоволоконного зв'язку мікропроцесорів з датчиками і модулями УСО зробило такі контролери придатними для побудови систем управління на радіоактивних і вибухонебезпечних виробництвах, не обмежуючи при цьому віддаленість керуючого комплексу від небезпечного виробництва.

Дані трансп'ютерів є на сьогоднішній день найбільш досконалим типом мікропроцесорних програмно-технічних комплексів і мають неперевершеною надійністю. Імовірність відмови у таких комплексів становить 10 -22 -10 -24.

Володимир ЖУК, начальник відділу АСУ ТОВ «Енергопроміс»