регуляторы для микроволновых печей или система зажигания двигателей внутрен него сгорания.

Альтернативой заказным микросхемам или электронным устройствам на базе се рийных микросхем является применение плат управления общего назначения с уста новленным на них процессором и программным обеспечением, записанным в ПЗУ Логические функции можно также реализовать с помощью программируемых логических устройств, рассмотренных в разделе 7.1.5. Такие решения эффективны в случае небольших затрат на производство и если имеется необходимое место для установки таких плат. Благодаря тому что эта технология обходится достаточно дешево и не слишком сложна, ее используют многие небольшие компании, специализирующиеся на оборудовании для автоматического управления.

Платы контроллеров - это более крупные устройства, применяемые в приложениях, в которых характер данных или программная логика могут меняться в течение жизненного цикла. Типичный пример - управляющие устройства для станков с ЧПУ. Эти компактные одноплатные устройства обычно включают в себя интерфейс с шиной локального управления либо локальной сетью.

Контроллеры, как правило, программируются непосредственно как целевые системы, т. е. такие системы, где выполняется конечное приложение, но в некоторых случаях применяется технология кросс-компиляции на другой ЭВМ, обладающей большими ресурсами, например в случае, если среда разработки (компилятор) требует много памяти. Готовые программы затем загружаются и исполняются на целевой машине.

Следующий уровень интеграции - это подключение периферийных плат с помощью системной шины (глава 8), позволяющей создавать конфигурации аппаратной части системы управления в точном соответствии с требованиями технического процесса. Платы на шине можно заменить в любое время с минимальными усилиями. Разработка программного обеспечения для эффективного использования системной шины - сложная задача, которая значительно упрощается с помощью специальных операционных систем, поддерживающих управление шинами.

Программируемые логические контроллеры (глава 7) - это автономные устройства для задач автоматизации, у которых входные и выходные данные суть цифровые сигналы. Для несложных приложений с небольшим числом параметров ПЛК - экономически эффективное решение. ПЛК можно присоединять к шинам локального управления и коммуникационным сетям для создания интегрированных систем управления. Современные ПЛК также имеют аналоговые входы/выходы и могут выполнять более сложные функции, например управлять ПИД-регуляторами.

При объединении локальных элементов управления (ПЛК, шины, контроллеры) в сеть можно организовать сбор и хранение информации со всего производства и координировать управление непосредственно не связанными устройствами. Интегрированные системы такого типа называются системами мониторинга и управления (monitoring and control system - М&С). При внедрении этих систем на сложном производстве настоятельно рекомендуется структурировать задачу управления и соответствующие решения для аппаратного и программного обеспечения; следует прИ держиваться принципов иерархического структурирования уровней управления, как описано в разделе 9.6.1. Сложные системы строятся по модульному принципу и могут разрабатываться на основе готовых компонентов.

При создании систем автоматизации не требуется, чтобы все программное обеспечение каждый раз переписывалось заново. Для систем управления и автоматизации

-/шествуют пакеты программ, которые используют не процедурное программирова-i.ie, а описание параметров конкретной задачи (программирование способом "запол-готовый бланк").

12.2.2. Монтажные стойки и шкафы

При объединении различных устройств в систему необходимо привести в соответствие много характеристик - от физических размеров до типа передаваемой ин-фор.мации. Совместимость различных частей гарантируется при использовании общепринятых интерфейсов. В этой книге рассмотрены различные типы интерфейсов, показаны их эволюция во времени и современное состояние, представляющее собой результат комбинации традиций, новейших разработок и прогнозирования.

При построении системы необходимо согласовать следующие характеристики компонентов:

- механические (физические размеры);

- электрические (частота и уровень сигналов, питание, кабели);

- тепловые (рассеяние мощности, требования к охлаждению);

- информационные (коммуникации, мониторинг и управление);

- функциональные (выполняемые задачи).

С точки зрения механических размеров наиболее распространенным промышленным стандартом являются 19-дюймовые монтажные (объединительные) шкафы и стойки. Размер 19 дюймов, или 482.6 мм, - это ширина шкафа. Высота компонентов измеряется в условных монтажных единицах, обозначаемых буквой U (44.45 мм или 1.75 дюйма). На практике используются только высоты, кратные трем, например, зи, т. е. 133.35 мм или 5.25 дюйм. На профессиональном жаргоне используются выражения "одинарная высота" и "двойная высота". Однако следует иметь в виду, что "одинарная высота" значит 3U, а не U. Эти размеры совместимы с форматом плат, предназначенных для установки в разъемы системных шин (раздел 8.2.2). Высота плат формата Eurocard, разработанных для установки в стандартную стойку, начинается со 100 мм и увеличивается с шагом 133.35 мм, или 3U. На рис. 12.1 показан типовой 19-дюймовый шкаф.

Формат 19 дюймов регламентирован международным стандартом ISO/IEC 297, в Германии - DIN 41494 и в США - ANSI/IEEE 1101. Немецкий стандарт D1N 41494 охватывает не только шкафы, стойки и стеллажи, но и печатные платы, разъемы и т. п. Формат 19 дюймов поддерживается большинством производителей вычислительной техники и периферийных устройств для промышленных приложений. Существуют реализации некоторых системных шин в формате, специально предназначенном для установки в 19-дюймовые стойки, например VMEbus и Compact PCI.

Формат 19 дюймов неудобен - по крайней мере для европейцев - тем, что использует американскую систему мер, а стандарт IEC 297 совмещает две различные Системы единиц, что тоже не улучшает ситуацию. Из-за этого был определен новый стандарт IEC 917 "Metric rack components, multimodule 25 mm" ("Метрические компоненты несущих элементов, база 25 мм"), в котором размеры высоты, ширины и глубины кратны 2.5 или 25 мм. Новый стандарт учитывает большую популярность формата 19 дюймов - компоненты этого формата можно устанавливать в стойках метрического стандарта с помощью простых переходников.

Рис. 12.1. Монтажный шкаф формата 19 дюймов для промышленных приложений (с разрешением компании Schroff, Германия)

Соединительные и питающие кабели монтируются на задней стенке стойки; пере дние панели используются для управления и поэтому обычно свободны от соедини тельных кабелей. Источники питания или силовые распределительные устройств, как правило, тоже устанавливаются в стойках, причем обычно в их основании - за веса трансформаторов и потому, что доступ для их обслуживания нужен доста но редко. Циркуляция воздуха для поддержки температурного режима обеспеч ется либо свободной конвекцией, либо с помощью дополнительных q.

и охлаждающих поверхностей; очевидно, что средств вентиляции должно оыть статочно для отведения выделяемого тепла. Для более эффективной вентиляции которые слоты между установленными платами по возможности оставляют своооД ми. Узлы, требующие постоянного обслуживания, устанавливают на средней всо чтобы облегчить к ним доступ. При необходимости на видном и легкодоступном сте устанавливают кнопку аварийного отключения всей стойки, окрашенную в кр

ный цвет на желтом фоне. go-

Отдельные компоненты могут представлять из себя как серийное покупное рудование, так и заказное, вплоть до уровня микросхем. Стандартное оборудова - измерительные приборы, цифровые регуляторы и модемы - поставляется мНО ми производителями. Эти устройства обычно имеют интерфейс, допускающий ДИ

танционное управление, либо могут быть оснащены им. Новые компоненты и узлы проектируются автономно, а затем совмещаются с уже имеющимся оборудованием.

12.2.3. Проектирование интерфейсов

Существенную роль во взаимодействии различных элементов системы играют интерфейсы. В хорошо сконструированной системе все компоненты работают по принципу черного ящика, т. е. их можно заменить другими элементами с такими же спецификациями - и система при этом будет работать, как прежде.

Спецификации интерфейса должны учитывать совместимость по всем параметрам, которые требуются для выполнения целевой функции. То, насколько запутаны и сложны могут быть спецификации, было показано на примере модели ВОС (раздел 9.2). Требования обычного проекта необязательно должны быть сложными, хотя необходимо удостовериться, что не упущено ни одного важного фактора. В зависимости от специфики задачи описание интерфейса должно включать все - от механической и электрической спецификаций до перечня и интерпретации данных.

В большинстве случаев при соединении различных устройств можно придерживаться уже имеющихся требований, например коммуникационных стандартов, описанных в главе 9. При спецификации интерфейсов желательно применять существующие стандарты или, в крайнем случае, использовать такие стандарты как отправную точку для новых разработок. Так, не имеет смысла определять рабочий диапазон датчика как 5-28 мА или новый способ кодирования символов в байте, когда уже существует диапазон 4-20 мА и хорошо себя зарекомендовавшие коды ASCII nEBCDIC. В большинстве случаев конкретное решение определяют доступные компоненты.

12.2.4. Выбор уровня интеграции

Существует много способов автоматизации, и невозможно определить несколько простых универсальных решений. Большинство задач можно решить на основе разных подходов и на разном оборудовании. Важно четко различать уровни системной Интеграции и выбрать правильные аппаратное и программное решения в соответствии с конкретной проблемой. Оборудование и компоненты, выполняющие одинаковые функции, могут существенно отличаться. Например, для измерения напряжения и выдачи значений в цифровой форме существует широкий набор аппаратуры - °т АЦП на базе микросхем до экзотических программируемых цифровых вольтметров с дистанционным сбором данных.

Автомобильная система управления впрыском топлива должна быть прочной, алогабаритной и недорогой. Такая система, выпускаемая многотысячными партия-и, .может быть экономически эффективна и при использовании заказных интегральных микросхем. С другой стороны, например, для большого химического завода с Тысячами датчиков и приводов маловероятно, что компания, владеющая заводом, сложила бы гигантские суммы и сотни человеко-лет в создание стопроцентно опти-альной системы мониторинга и управления. На таком заводе можно установить стандартную систему мониторинга и пакет программного обеспечения, в котором на-тройка осуществляется описанием датчиков, приводов и контуров управления в параметрической форме, а пользовательский интерфейс определяется содержанием

диалогов ввода/вывода. В нестандартных случаях следует использовать специализированное оборудование и программные средства.

Внешние ограничения и экономические соображения влияют на окончательное решение. Необходимо взвесить все относительные преимущества и недостатки того или иного решения с учетом его стоимости. Высокая гибкость и перспективы дальнейшего расширения могут потребовать дополнительных затрат, которые, однако обычно окупаются при модернизации системы в будущем. Решения по автоматизации - это не только технические, но в значительной степени экономические и стратегические решения. При рассмотрении множества противоречивых факторов необходимо концентрировать внимание на системе поставленных целей и долгосрочной перспективе. Сегодняшние решения определяют перспективу развития завтрашних решений.

12.3. Надежность системы 12.3.1. Надежность оборудования

Технология автоматизации придает новое значение концепции надежности (reliability). Все хотят иметь надежные устройства и системы. Автоматизированные системы функционируют без вмешательства человека, а различные механизмы и компоненты влияют друг на друга. Последствия зависимости больших систем от их компонентов хорошо видны на примере отказа какого-нибудь реле, вызывающего перебой в электроснабжении целых городских кварталов. Часто неправильное функционирование или отказ системы вызваны выходом из строя одного простейшего компонента. Конечно, такая проблема может возникнуть и в системах, контролируемых человеком, но автоматизация только усугубляет ее.

Важнейшим параметром системы является коэффициент готовности (availability), который определяется как вероятность того, что элемент, устройство или система данный момент времени работает правильно. Эта вероятность представляет собой отношение времени, в течение которого элемент исправен, ко всему сроку службы. Коэффициент готовности элемента или устройства - это функция вероятности отказа в течение заданного периода времени и времени, за которое элемент или устройство приводится в рабочее состояние после отказа.

Из-за взаимодействия между частями и компонентами полная надежность системы может оказаться достаточно малой, если не все составляющие имеют высокую надежность. В качестве примера рассмотрим производственную линию, включающую десять последовательно соединенных станков. Если каждый станок все время повторяет одни и те же операции и делает одну ошибку в среднем на каждую сотню операций, то вероятность того, что станок не сделает ошибку за цикл, равна 99 %. Для получения приемлемого конечного продукта все станки должны работать правильно, так что общая вероятность

0.99° = 0.904

т. е. вероятность безошибочной работы всей линии всего лишь около 90 %. Широко используемый метод улучшения суммарной надежности на конвейерах - это создание промежуточных складов между станками. В этом случае удается избежать оста новки всего конвейера при отказе одного станка.

12.3.2. Модели для расчета надежности

При расчетах надежности сложной системы обычно полагают, что возможные ошибки не коррелируют, т. е. являются независимыми событиями. Это предположение верно при условии, что неисправный элемент не влияет на другие.

Для п элементов

п = nf,(t) + njit)

где ri(t) - число правильно функционирующих элементов, а nj{t) - число неисправных элементов. Оба слагаемых суть функции времени, а их сумма п при этом постоянна. Функция надежности (reliability function, survival function) определяется следующим образом

nJt) nAt)

Интересно анализировать относительное число отказов как функцию времени. Для этого вводится понятие интенсивности отказов

fit) 1 d

z(t) = = ~---Rit)

R(t) R(t) dt

(12.1)

Если элемент остается в работе до времени t, интенсивность отказа показывает вероятность того, что этот элемент откажет сразу после момента t. Функцию интенсивности отказов z(t) можно оценить, наблюдая большое число элементов в течение длительного периода времени. Несколько упрощенный вид функции z(t) представлен на рис. 12.2. Из-за своей формы эта кривая называется "корытообразной" функцией ("bathtub "function).

z(t)

время

Рис. 12.2. Интенсивность отказов элементов z(t) как функция времени ("корытообразная" функция); а - отказы на первоначальных этапах работы; 5 - случайные отказы (участок с постоянной интенсивностью Х); в - отказы, связанные со старением.

Обычно рассматривается "лучшее время", т. е. центральная часть кривой интенсивности отказов. При этом полагают что система функционировала достаточное время для того, чтобы изжить Датские болезни". С другой стороны, система не должна находиться в эксплуатации к долго, что ее компоненты уже износились и уро-