Применение интеллектуальных шлюзов для интеграции разнородных устройств в единую автоматизированную систему

Интеллектуальный шлюз серии ШИ-01 представляет собой устройство на микропроцессорной основе со встроенной операционной системой и специализированным программным обеспечением. Данное устройство предназначено для преобразования данных одного цифрового информационного потока в данные другого цифрового информационного потока. Такое преобразование позволяет при помощи ШИ-01 организовать обмен информацией между пунктами управления и устройствами объекта управления, поддерживающими обмен по интерфейсным каналам связи, которые, по причине различия используемых информационных протоколов, не могут напрямую взаимодействовать друг с другом.

Как правило, на верхних уровнях управления необходимо использование известных или стандартных протоколов, поддержка программных стандартов операционных систем. ШИ-01 обеспечивает как передачу управляющих воздействий от пункта управления к устройствам  объекта управления, так и обратную связь, объединяя, таким образом, полевые сети, устройства агрегатного уровня с устройствами коллективного пользования, серверами, хранилищами данных и другими комплексами пункта управления, которые не предназначены для прямого взаимодействия с устройствами объекта управления в силу их функциональной ориентированности.

К ключевым особенностям и преимуществам ШИ-01 можно отнести:

• Многозадачность. Число задач, параллельно выполняемых ШИ-01, зависит только от конфигурации и ограничений применяемой платформы.
• Широкий перечень моделей ШИ-01, позволяющий подобрать оптимальное для заказчика решение согласно его потребностям: число и тип последовательных интерфейсов, наличие встроенных дискретных и аналоговых каналов ввода/вывода, наличие встроенного модема и т.п.
• Поддержка большой номенклатуры модулей ввода/вывода, счетчиков электроэнергии, устройств РЗА, тепловычислителей и др. устройств (более 70 наименований и серий). Возможна поддержка новых устройств по желанию заказчика.
• Широкие коммуникационные возможности: поддержка протоколов OPC и TwinCAT ADS (Win32), Modbus RTU/ASCII/TCP, IEC-60870-5-101/103/104.
• Наличие реализации языков МЭК 61131-3: непрерывных функциональных диаграмм (CFC, расширение языка FBD) с большим перечнем ФБ, ST (в виде ФБ «Скрипт») для разработки технологических программ (дополнительная оперативная обработка информации от устройств объекта управления).
• Наличие механизма ведения оперативных и исторических архивов.
• Возможность работы с панелями оператора, поддерживающими протокол Modbus RTU.
• Поддержка дублирования и резервирования ШИ-01, обмена данными между шлюзами.
• Возможность удаленной диспетчеризации и управления объектом по каналу связи GPRS/3G.

Программное обеспечение для настройки ШИ-01 включается в комплект поставки, оно предоставляет дополнительную возможность конфигурирования шлюза с учетом потребностей заказчика без необходимости специальных знаний в области программирования. Кроме того, в комплект поставки входит OPC-сервер для ШИ-01, поддерживающий стандарты DA и HDA.

Проект ШИ-01 получил государственную поддержку в Фонде содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Кроме того, имеется патент на полезную модель, сертификаты соответствия на продукцию ШИ-01 и используемое программное обеспечение KLogic.

Для демонстрации перечисленных возможностей я расскажу вам об опыте внедрения решений на базе ШИ-01 в реальном проекте ООО «НПО «Каскад-ГРУП».

В рамках решения об усовершенствовании ряда производственных линий одного купного завода Чувашской республики специалистами ООО «НПО «Каскад-ГРУП» на данном заводе была внедрена автоматизированная система обработки данных и управления производством. Система предназначена для мониторинга хода технологического процесса, отклонений от заданных режимов процесса путем контроля и регистрации значений технологических параметров, визуального представления данных процесса, сигнализации состояния оборудования технологических линий, определения предаварийных и аварийных ситуаций путем анализа измеренных значений параметров.

Внедренная система является трехуровневой:

• верхний уровень: сервер сбора данных;
• средний уровень: промышленные контроллеры и станции ввода-вывода;
• нижний (полевой) уровень: средства КИПиА, щиты контроля.

По желанию заказчика система была построена на программируемых логических контроллерах серии SIMATIC S7-300 и станциях ввода-вывода ET-200M производства фирмы Siemens AG. Средний уровень включает в себя программируемые логические контроллеры, станции ввода-вывода, и выполняет функции сбора и первичной обработки данных технологического процесса. Для организации обмена данными с полевым оборудованием контроллер SIMATIC S7-300 был оснащен коммуникационными процессорами CP341 с загружаемым драйвером Modbus RTU Master.

При проектировании данной системы был выявлен ряд проблем, связанных с вводом информации с контрольно-измерительного оборудования полевого уровня в программируемые логические контроллеры серии SIMATIC S7-300, т.к. существующее на объекте оборудование по своей сути разнородно. Перепроектирование же полностью производственных линий не представлялось возможным по причине затрат времени и средств.

В контроллер SIMATIC S7-300 необходимо было ввести информацию со следующего контрольно-измерительного оборудования, уже установленного и существовавшего на объекте:

• преобразователи частоты HYUNDAI N300;
• преобразователи частоты Apator AMD VFD-A, VFD-B;
• массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры Micro Motion 3500;
• газоанализаторы СТМ-30 производства ФГУП СПО «Аналитприбор»;
• весовые тележки типа CPS фирмы CAS;
• настольные весы ПВ-30.

Существенным фактором является то, что у перечисленного оборудования различные средства для передачи технологических данных, а именно – различные интерфейсы передачи данных и различные протоколы обмена данными.

Также существенен тот факт, что к передвижным весовым тележкам CPS CAS нет возможности подвести проводной интерфейс. Специалистами ООО «НПО «Каскад-ГРУП» было принято решение установить на тележки преобразователи интерфейса ARF-45 производства компании Adeunis, преобразующие интерфейс RS-232 в WLAN. Далее, с помощью промышленного Wi-Fi роутера, интерфейс WLAN преобразовывается в интерфейс Industrial Ethernet.

Кроме того, настольные весы ПВ-30 находятся на расстоянии 70 метров от основного контроллера системы, поэтому передача данных по интерфейсу RS-232 не представляется возможной. В данном случае необходимо либо использовать преобразователь интерфейса RS-232 в интерфейс RS-485, либо искать более подходящее решение поставленной задачи.

Для ввода информации с полевого оборудования в контроллер SIMATIC S7-300 применяются коммуникационные процессоры CP341, которые поставляются с одним из интерфейсов: RS 232C (V.24), 20 мА токовая петля (TTY), RS 422/RS 485 (X.27), и поддерживают протоколы обмена: ASCII, 3964 (R), RK 512, а также загружаемые протоколы Modbus RTU, Modbus ASCII. Каждый коммуникационный процессор CP341 оснащен одним каналом выбранного интерфейса и может одновременно работать только с одним выбранным протоколом обмена данными.

Исходя из этого, для построения системы обработки данных и управления производством  необходимо использовать 4-5 коммуникационных процессора CP341 с различными протоколами обмена. Не затрагивая вопросы отсутствия поддержки части протоколов и резкого увеличения стоимости оборудования, следует отметить, что если коммуникационных процессоров много, то они занимают часть слотов на стойке SIMATIC S7-300, а значит, уменьшается количество мест для сигнальных модулей ввода/вывода, и, возможно, придется вводить еще одну распределенную станцию ввода вывода ET-200M, если места под них не хватит. Кроме того, остается нерешенным вопрос обмена данными с весовыми тележками типа CPS по интерфейсу Industrial Ethernet и настольными весами ПВ-30.

В данном случае, все перечисленные выше задачи решаются внедрением в систему интеллектуальных шлюзов серии ШИ-01 производства ООО «НПО «Каскад-ГРУП». В приведенной выше исходной конфигурации оборудования, ШИ-01 позволяет привести различные протоколы и интерфейсы обмена данными к единым, необходимым для ввода в программируемые логические контроллеры серии SIMATIC S7-300 с помощью одного коммуникационного процессора CP341 с интерфейсом RS-485 и драйвера Modbus RTU Master. При этом станция SIMATIC S7-300 будет выступать в роли Modbus Master устройства, а ШИ-01 – Modbus Slave устройства.

Всю информацию с полевых устройств получает ШИ-01 посредством различных интерфейсов и протоколов. В ПЛК SIMATIC S7-300 остается только реализовать опрос одного Modbus Slave устройства – ШИ-01, который уже получил данные c полевого оборудования.

Для построения системы было использовано 2 интеллектуальных шлюза, имеющих по два порта Industrial Ethernet и по четыре конфигурируемых COM-порта, каждый из которых может работать в одном из режимов: RS-232, RS-422 или RS-485.

 К одному из ШИ-01 подключаются все имеющиеся частотные преобразователи, массовые расходомеры, газоанализаторы, для каждого из которых соответственно конфигурируется COM-порт и применяется необходимый протокол обмена данными.

Ко второму ШИ-01 подключаются настольные весы ПВ-30 по интерфейсу RS-232 и Wi-Fi роутер по интерфейсу Industrial Ethernet, через который и преобразователи интерфейса ARF-45 осуществляется опрос весовых тележек CPS CAS.

Так как второй ШИ-01 располагается на достаточно большом удалении от первого, между двумя ШИ-01 организован межконтроллерный обмен по протоколу IEC-60870-5-104 для передачи данных со второго ШИ-01 на первый и далее в ПЛК SIMATIC S7-300.

 Таким образом, имея разнородное оборудование с различными интерфейсами и протоколами обмена, можно в короткие сроки и без больших затрат на дополнительное оборудование интегрировать его в существующую систему управления технологическими процессами, оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ), учета энергоресурсов (АСКУЭ), применив для этой задачи интеллектуальные шлюзы производства ООО «НПО «Каскад-ГРУП».