Диссертация для присвоения степени магистра технических наук

5.3. Внешнее управление электроприводами с микропроцессорным управлением по каналам последовательной связи
Ниже приводится описание каналов связи частотно регулируемых электроприводов системы собственных нужд.
Электроприводы имеют в своем составе два независимых последовательных канала связи с магистральной структурой:

• 
  Скоростной внутренний канал расширения, реализованный интерфейсом SPI, ориентированный на обмен данными с местным пультом управления и встраиваемым в электропривод дополнительным технологическим субмодулем АСУ;
  
• 
  Внешний канал цифрового дистанционного управления, реализованный интерфейсом RS485, ориентированный на обмен данными с дистанционным пультом управления, персональным компьютером или контроллерами АСУ на расстояниях до 1 км.
  Оба канала связи поддерживают стандартный протокол обмена Modbus.
  

Частотно-регулируемые электропривода по своей концепции являются открытой системой, что позволяет расширять их возможности встраиваемыми субмодулями.
Субмодуль SBA485 дает пользователю возможность организовать второй независимый интерфейс (RS485₂) доступа к электроприводу наряду с существующим (RS485,).


Рис.5.2. Субмодуль SBA485
Субмодуль представляет собой микропроцессорный контроллер, поддерживающий обмен данными с про­цессором СУ электропривода по быстрому последо­вательному интерфейсу SPI и обмен с внешними устрой­ствами по интерфейсу RS485₂- Контроллер поддержи­вает при обмене данными с внешними устройствами протокол Modbus.
Технологический субмодуль в сетевой структуре является полноценным абонентом с собственным сетевым адресом, предполагающим обмен собственной информацией с администратором сети №2 на базе интерфейса RS485₂. Дистанционный пульт ПУ-4 или АСУ, подключенные к интерфейсу RS485₂, получают также полноценный доступ к ресурсам как электро­привода, в состав которого включен субмодуль, так и к ресурсам любых пассивных абонентов сети на базе интерфейса RS485₁, поддерживающих протокол Modbus.
В программное обеспечение технологического субмодуля могут быть включены специальные алгоритмы опроса аналоговых и дискретных входов электроприводов и управляющего воздействия на электроприводы и их

Рис.5.3. Пример АСУТП

дискретные выходы, а также специфические группы технологических программируемых и информационных параметров, не­обходимых для настройки пользовательского алгоритма заказной нетиповой технологической задачи.
Технологический субмодуль позволяет решать широкий круг специфических технологических задач:

• 
  адаптивное управление многонасосными станциями водоснабжения;
  
• 
  управление необслуживаемыми насосными станциями по календарному графику;
  
• 
  управление тягодутьевыми механизмами для оптимизации процессов вентиляции, розжига и стационарной работы и т.д.
  

Простейший случай АСУТП, на базе одного привода со встроенным технологическим субмодулем приведен на рис. 1, показаны средства программирования и отображения оперативной информации (стандартные пульты ПУ-4, ПУ-5) и указано, какая информация доступна с какого пульта.
На рисунке показаны, кроме технологического субмодуля расширения, также другие субмодули, позволя­ющие довести число аналоговых входов привода до 6, аналоговых выходов — до 2, программируемых релейных выходов — до 6 (число программируемых дискретных входов не расширяется и всегда равно 6).
Программирование привода и протокол дистанционного управления (в т.ч. по интерфейсу SPI) позволяют использовать входы-выходы привода как непо­средственно приводу, так и любому внешнему устройству (в приведенном на рис. 1 примере — технологическому субмодулю). Кроме того, управление функциями привода извне может быть лимитировано только опре­деленным типом воздействия (например, разрешено изменение задания, но запрещено редактирование параметров), что повышает надежность привода в нештатных ситуациях.
Базовым методом управления приводом со стороны технологического субмодуля является динамическое изменение задания или динамическое переключение заранее предустановленных при программировании привода режимов по результатам опроса входов и текущего внутреннего статуса привода.
Для надежной работы системы технологический субмодуль снабжен программно-аппаратными средствами контроля собственной работоспособности (по типу «Watchdog») с возможностью выдачи аварийного сигнала (реле или оптореле) на вход блокировки привода даже в случае отказа процессора или отказа питания субмодуля.
В приведенном выше примере средством настройки, оперативного управления и отображения информации является пульт дистанционного управления ПУ-4 со стандартной программой.
Использование встраиваемых в привод технологических субмодулей не исключает возможности объеди­нения таких приводов локальной информационно управ­ляющей сетью и выполнения такими приводами общей технологической задачи с некоторыми ограничениями:

• 
  каждый технологический субмодуль может управлять заданием и режимами только «своего» привода;
  
• 
  каждый технологический субмодуль может использовать в алгоритме только информацию о состоянии входов «своего» привода;
  

Объединение приводов общей технологической за­дачей может достигаться подачей выходных (дискрет­ных или аналоговых) сигналов одного привода на входы другого.
Для настройки всех приводов, объединенных сетью, и всех технологических субмодулей, а также для отобра­жения всей текущей информации со всех приводов и технологических субмодулей может быть применен один пульт ПУ-4. С этого же пульта возможна организа­ция синхронного пуска, стопа или реверса всех приво­дов, объединенных сетью. Пример подобной АСУТП приведен на рис.5.3.
В отдельных случаях возможно использование тех­нологического субмодуля, встроенного в один из приво­дов, для управления в цифровой форме по протоколу дистанционного управления несколькими приводами, выполняющими общую технологическую задачу. В этом случае привод, в который встраивается субмодуль, программируется на выполнение функции «шлюз» и транслирует запросы от технологического субмодуля по интерфейсу SPI с «чужим» сетевым адресом на порт RS485_b а ответы с этого порта на SPI. Таким образом технологический субмодуль получает доступ ко всем ре­сурсам всех приводов, объединенных локальной сетью, и может использовать эту информацию в общем для всех приводов технологическом алгоритме. При­менение такой схемы ограничивают сниженная вдвое скорость обмена данными через шлюз и надежностные характеристики схемы (так, при отказе питания привода, в который встроен субмодуль, дальнейшее управление невозможно). Пример подобной АСУТП приведен на рис.3. Такую схему включения можно рекомендовать только в структурах с ярко выраженным ведущим приводом (например АТО4).
Более сложные технологические задачи, требующие слаженной работы нескольких приводов и значительно­го числа исполнительных механизмов, размещенных по производственной территории, по общему алгоритму требуют построения рассредоточенной системы управ­ления с явно выраженным сетевым контроллером АСУ. Базовая структура АСУТП на базе подобного контрол­лера приведена на рис.5.4.
В ряде случаев два интерфейса RS485 контроллера могут быть использованы для резервирования канала цифрового управления, как это показано на рис.
Весьма актуальной также является задача увеличения числа технологических входов-выходов в рассре­доточенной системе АСУТП с помощью активных устройств ввода-вывода (по своей сути не отличающихся от вышеописанных технологических контроллеров АСУ с модифицированной программой).
В простейшем случае контроллер содержит жесткую программу, не требующую настроек (как следствие, такому контроллеру не нужен пульт). Контроллер подключается к локальной сети как равноправный с при­водами (1) абонент. Программа контроллера (2) циклически опрашивает все входы и выдает по запросу адми­нистратора сети массив данных, отражающий результаты измерений. С другой стороны, администратор сети (4) циклически посылает такому контроллеру команды на изменение состояния его выходов.
В более сложном случае контроллер может содержать алгоритм предварительной обработки результатов опроса входов и возвращать администратору сети по его запросу уже предварительно обработанную информацию (3).
Обязательным требованием для контроллеров является поддержка так транспортного, так и логического уровней протокола Modbus по интерфейсу RS485.
Подобная структура распределенной АСУТП, содержащей технологические контроллеры с программами всех трех версий, приведена на рис. 5.4.