Автоматизация

История ПЛК

Промышленная автоматизация началась задолго до появления ПЛК. В первой половине XX века автоматизация обычно осуществлялась с использованием сложных электромеханических релейных схем. Однако количество реле и проводов, и соответственно занимаемого ими места было слишком большим. Например, для автоматизации даже простого производственного процесса могут потребоваться тысячи реле! А если в логической схеме нужно было что-то изменить, то это вызывало серьезные проблемы.

Примечание. На базовом уровне электромеханические реле функционируют путем магнитного размыкания или замыкания электрических контактов при подаче напряжения на катушку реле. Эти устройства не вышли из обихода и до сих пор играют важную роль в промышленной автоматизации.

В 1968 году появился первый программируемый логический контроллер, который на промышленных предприятиях заменил сложные релейные схемы. ПЛК был разработан таким образом, чтобы его могли легко программировать инженеры и технические специалисты, уже знакомые с логикой реле и схемами управления. Поэтому с самого начала ПЛК можно было программировать с использованием релейной логики, которая была разработана для имитации схем цепей управления. Релейная логика или лестничные диаграммы выглядят как схемы управления, в которых поток энергии течет слева направо через закрытые контакты для подачи питания на катушку реле.

Как видите, релейная логика выглядит как простая схема управления, где источники входного сигнала, такие как переключатели, кнопки, датчики и т. д., показаны слева, а источники вывода – справа. Возможность программирования сложных автоматизированных процессов с помощью интуитивно понятного интерфейса, такого как релейная логика, значительно упростила переход от релейной логики к ПЛК. И хотя первые ПЛК были очень ограничены в возможностях, в объеме памяти и скорости, с годами они значительно улучшили свои характеристики. В результате ПЛК помогли упростить проектирование и внедрение промышленной автоматизации.

Как работают ПЛК?

ПЛК можно охарактеризовать как небольшие промышленные компьютеры с модульными компонентами, предназначенными для автоматизации процессов управления. Контроллеры присутствуют практически во всей современной промышленной автоматизации. ПЛК состоит из множества компонентов, но большинство из них можно отнести к следующим трем укрупненным категориям:

• Процессор

• Входы

• Выходы

Попробуем описать функцию ПЛК простыми словами. ПЛК принимает входные данные, выполняет логические операции на основе входных значений ЦП (центральный процессор), а затем включает или выключает выходы на основе этой логики. Позже мы углубимся в подробности, а сейчас подумайте об этом так:

1. ЦП контролирует состояние входов (например, включение, выключение датчика приближения, открытия клапана на 40 % и т. д.).

2. ЦП принимает информацию, которую он получает от входов и выполняет логические операции.

3. ЦП устанавливает значения выходов (например, выключение двигателя, открытие клапана и т. д.).

Процессор (ЦП), входы и выходы – эти три компонента работают вместе с тем, чтобы принимать входные данные, выполнять логику на входах, а затем активировать/деактивировать выходы.

Воспользуемся примером с тем, чтобы проиллюстрировать, как работают ПЛК. Рассмотрим работу посудомоечных машин, которые оснащены микропроцессорами, аналогичными ПЛК. У посудомоечной машины есть входы, выходы и, конечно же, процессор. Входами контроллера посудомоечной машины могут быть кнопки на передней панели, датчики воды и выключатель загрузочной дверцы. Выходы посудомоечной машины – это водяные клапаны, нагревательные элементы и насосы. Как посудомоечная машина использует эти компоненты:

1. Пользователь нажимает кнопку режима цикла (вход обнаружен)

2. Пользователь нажимает кнопку запуска (обнаружен ввод)

3. ЦП проверяет, что дверь закрыта (вход обнаружен)

4. Заливной клапан открывается, и посудомоечная машина начинает наполняться водой (выход активирован).

5. ЦП ждет, пока не будет достигнут нужный уровень воды (вход обнаружен)

6. Заполняющий клапан закрывается, и поток воды прекращается (выход активирован/деактивирован)

7. Нагревательный элемент включен (выход активирован)

8. ЦП ждет, пока не будет достигнута требуемая температура воды (вход обнаружен)

9. Дозатор мыла открывается (выход активирован)

10. Водяной насос включается, чтобы нагнетать воду через форсунки (выход активирован)

11. ЦП начинает отсчет времени в зависимости от типа цикла (логический таймер активирован)

12. Водяной насос выключается (выход деактивирован)

13. Нагревательный элемент выключен (выход деактивирован)

14. Сливной клапан открывается, посудомоечная машина начинает сливать грязную воду (выход активирован).

15. ЦП ждет пока не обнаружит, что уровень воды достаточно низкий (вход активирован/деактивирован)

16. Дренажный клапан закрывается (выход активирован/деактивирован)

17. Заправочный клапан снова открывается для ополаскивания посуды (выход активирован)

18. Водяной насос включается, чтобы нагнетать воду через форсунки (выход активирован)

19. ЦП начинает отсчет времени (логический таймер активирован)

20. Водяной насос выключается (выход деактивирован)

21. Сливной клапан открывается, и посудомоечная машина начинает сливать воду для полоскания (выход активирован).

22. ЦП ждет пока не обнаружит, что уровень воды достаточно низкий (вход активирован/деактивирован)

23. Дренажный клапан закрывается (выход активирован/деактивирован)

24. Нагревательный элемент включается для нагрева воздуха внутри посудомоечной машины и сушки посуды (выход активирован)

25. ЦП ждет пока не будет достигнута необходимая внутренняя температура (вход активирован)

26. ЦП начинает отсчет времени (логический таймер активирован)

27. Нагревательный элемент выключен (выход активирован/деактивирован)

Дискретный и аналоговый ввод/вывод

Входы и выходы часто обозначаются термином «I/O». В приведенном выше примере с посудомоечной машиной мы рассматривали каждый вход и выход как дискретный или цифровой сигнал.

Дискретные сигналы – это сигналы, которые могут характеризовать только состояние включено или выключено. Это самый простой и распространенный тип ввода-вывода. В нашем примере мы не использовали аналоговый ввод-вывод. Хотя в системе управления посудомоечной машиной может использоваться аналоговый ввод-вывод. Пример: при использовании аналоговых сигналов вместо включения/выключения или открытия/закрытия вы можете оперировать такими данными, как 0 – 100 %, 4 – 20 мА, 0 – 100 градусов Цельсия или что-то еще, что вы измеряете и берете в качестве входного сигнала и управляющего сигнала – в качестве выходного сигнала.

Процессор ПЛК – логика

ЦП является домом для логики ПЛК, памяти и коммуникаций. ЦП – это место, где хранится созданная разработчиком программа автоматизации.

На примере посудомоечной машины мы рассмотрели, как может выглядеть логика программы. Она обнаруживает различные состояния входа и активирует/деактивирует действия выхода. Логику ЦП ПЛК можно также сравнить с мозгом, который принимает входные сигналы (зрение, ощущение, обоняние, вкус, звук) и производит выходные действия (идти, тянуть, брать, говорить и т. д.).

Примечание. Традиционно ПЛК программируются исключительно с использованием релейной логики (LD). Большинство новых программируемых контроллеров автоматизации – PAC (описание ПАК дано чуть ниже) также позволяют программировать на других языках, таких как структурированный текст (ST), последовательная функциональная схема (SFC), функциональная блок-схема (FBD) и список инструкций (IL). Международная электротехническая комиссия (IEC) включила эти пять языков программирования в стандарт IEC 61131-3.

Память ПЛК

Память процессора обычно находится в ЦП, и в ней временно или постоянно хранятся данные и программы ПЛК. Это похоже на память компьютера (ОЗУ или ПЗУ).

Коммуникации ПЛК

Связь, осуществляемая центральным процессором, обычно включает в себя одно или несколько действий:

• Связь через последовательный порт или порт USB модуля ЦП с компьютером программиста;

• Связь с модулями ввода-вывода (I/O) через объединительную плату шасси;

• Связь с другими ПЛК и другими устройствами промышленной автоматизации через Ethernet и другие типы сетей.

Продолжая аналогию с человеческим мозгом, связь ПЛК можно сравнить связью мозга с различными частями тела (глазами, носом, руками, ноги и т. д.) и общение с другими людьми. Давайте воспользуемся примером. Логика нашего мозга может выглядеть примерно так:

1. Мозг получает от глаз информацию о том, что, допустим на полу лежит мешающая проходу коробка.

2. Мозг принимает логические решения относительно того, почему коробку следует взять в руки и переместить.

3. Мозг приказывает ногам согнуться, рукам – дотянуться, взять коробку и убрать ее с дороги.

Хотя человеческий мозг намного сложнее, мощнее и гибче, чем ПЛК, тем не менее можно увидеть сходство между ПЛК и системой управления человека. Обратите внимание, как ПЛК можно запрограммировать для работы с механическим оборудованием для выполнения многих задач, которые в противном случае пришлось бы выполнять людям вручную.

Ввод-вывод ПЛК

Ввод-вывод – это часть ПЛК, которая соединяет мозг (ЦП), с внешним миром, механизмами и машинами. В системе ПЛК обычно имеются выделенные модули для входов и модули для выходов. Модуль входа определяет состояние входных сигналов, таких как кнопки, переключатели, датчики температуры и т. д. Модуль вывода управляет такими устройствами, как реле, пускатели двигателей, освещение и т. д.

Дискретный ввод/вывод

Наиболее распространенным типом ввода-вывода ПЛК является дискретный ввод-вывод. Иногда дискретный ввод-вывод называют цифровым вводом-выводом. Концепция проста: дискретный ввод-вывод – это сигналы, которые либо включены, либо выключены. Некоторыми примерами устройств дискретного ввода могут быть такие вещи, как выключатели света, кнопки и бесконтактные переключатели.

Примерами устройств дискретного вывода являются фонари, реле и пускатели двигателей. В нашем примере с посудомоечной машиной некоторые из дискретных входов – это кнопка запуска, выключатель дверцы и переключатель уровня воды. Некоторыми из дискретных выходов могут быть клапан наполнения воды, клапан слива воды и нагревательный элемент.

Примерами дискретных входов для ПЛК могут быть разомкнутые или замкнутые автоматические выключатели, генераторы, датчик положения конвейерной ленты или датчик уровня воды в резервуаре. Дискретные выходы могут отвечать за включение или размыкание автоматических выключателей, запуск или остановку генераторов, открытие или закрытие водяных клапанов или включение и выключение сигнальных ламп.

Дискретный ввод-вывод всегда либо включен, либо выключен. Между ними нет никакого промежутка. Благодаря этому дискретные сигналы легко обрабатывать на компьютере или ПЛК. Другие способы описания дискретного сигнала: он либо истинен, либо ложен, 1 или 0, открыт или закрыт.

Аналоговый ввод/вывод

Другой распространенной формой ввода-вывода ПЛК является аналоговый ввод-вывод. Например, аналоговый сигнал может создавать напряжение в диапазоне 0 – 10 В постоянного тока, допустим 2, 3 или 8,25 вольт. В мире ПЛК модули аналогового ввода обычно измеряют аналоговые входы в одном из следующих диапазонов: от -10 до 10 В постоянного тока, 0 – 10 В постоянного тока, от 1 до 5 В постоянного тока, 0 – 1 мА или 4 – 20 мА. По сути, модуль аналогового ввода измеряет либо напряжение, либо ток. Существуют и другие типы аналоговых сигналов, но перечисленные выше, безусловно, наиболее распространены.

Аналоговый сигнал, с которым большинство из нас знакомо – это регулятор освещенности. Когда вы поворачиваете регулятор или ползунок диммера, свет становится либо ярче, либо тусклее. Так же и аналоговый входной сигнал в ПЛК может увеличиваться или уменьшаться с очень небольшими приращениями, и ПЛК схожим образом формирует аналоговый выходной сигнал.

Реальные примеры аналоговых входов в промышленной среде: датчики температуры двигателя (RTD, термопары и т. д.), датчики давления масла, весы. Датчик температуры может, например, работать в диапазоне температур от -50 до 150 градусов Цельсия, что соответствует току 4 – 20 мА. Весы могут работать в диапазоне от 0 до 500 кг, соответствующий напряжению от 0 до 10 В. И так далее. Аналоговые выходы можно использовать для управления выходной мощностью генератора, положением стрелки аналогового измерителя давления и многого другого. Аналоговый выход 0 – 3 В постоянного тока можно использовать для управления генератором мощностью 0 – 2000 кВт, а аналоговый выход 4 – 20 мА – для управления датчиком температуры от -30 до 100 градусов Цельсия.

ПЛК и ПАК

Вероятно, вы слышали о программируемом контроллере автоматизации – ПАК (Programmable Automation Controller – PAC). Этот термин был впервые придуман исследовательской фирмой ARC в 2001 году, чтобы отличить обычные ПЛК (programmable logic controller – PLC) от появившихся на рынке новых, более мощных и гибких контроллеров. Существуют разногласия по поводу различий в определениях между PAC и PLC, и часто эти термины используются в отрасли как синонимы и взаимозаменяемые. PAC вероятно являются лучшим выбором, если только система не очень проста и минимизация стоимости проекта не является жизненно важной. Современный пользовательский интерфейс, дополнительная мощность и память большинства PAC делают их превосходящими большинство ПЛК.

Промышленные коммуникации

Необходимо рассказать также и о данных ввода-вывода, которые можно передавать или получать от других контроллеров и устройств через промышленные протоколы связи. Существует множество протоколов промышленной связи: Modbus, DNP, BACnet, ControlNet, EtherNet/IP и многие другие. Одним из старейших протоколов промышленной связи является Modbus. Modbus до сих пор широко используется во многих устройствах и ПЛК из-за своей простоты и широкого распространения.

Modbus – это протокол типа «главный-подчиненный», в котором одно устройство является главным, а все остальные устройства в сети Modbus – подчиненными. Ведущее устройство Modbus может считывать данные с устройства или записывать на него в зависимости от возможностей ведомого устройства.

Как это связано с вводом-выводом ПЛК? Многие устройства, такие как ПЛК, цифровые счетчики, системы SCADA, частотно-регулируемые приводы и контроллеры генераторных установок, были разработаны с внутренней картой данных точек входа и выхода. Разработчик устройства решает, как распределяются данные. Например, данные Modbus поступают в систему ПЛК/ПАК с измерителей мощности с тем, чтобы узнать мощность в киловаттах, напряжение, силу тока и т. д. в цепи или генераторе. В этом случае ПЛК действует как ведущее устройство Modbus, а измеритель мощности – ведомое. Каждый производитель устройства упорядочивает данные в карте Modbus своего устройства по-разному, но протокол связи остается тем же.

Ведущие устройства также могут записывать данные на ведомые устройства. Например, ПЛК можно настроить как ведущее устройство Modbus, которое записывает данные для запуска, остановки или изменения скорости частотно-регулируемого привода (ЧРП).

Таким образом вы можете не только подключать входы и выходы к вашему ПЛК, но также считывать входные данные и записывать выходные данные на устройства через Modbus и другие протоколы промышленной связи. Эта универсальность позволяет большинству ПЛК/ПАК взаимодействовать практически с любым устройством в промышленной среде.

Релейная логика ПЛК

Программирование ПЛК отличается от обычного компьютерного программирования, хотя бы потому, что для автоматизации промышленного оборудования в ПЛК используется язык графического программирования под названием Ladder Logic. Этот же раздел посвящен программированию ПЛК с помощью релейной логики.

Релейная логика была разработана с тем, чтобы сделать интуитивно понятным программирование ПЛК, которые заменили большую часть аппаратной релейной логики, используемой в промышленных средах. Логика управления реле отображалась на рисунках, обычно называемых релейными или «лестничными» диаграммами.

Следует отметить, что, поскольку ПАК (PAC) включает в себя другие языки, такие как ST, FBD, SFC и IL, релейная логика – не единственный язык, который люди используют для ПЛК. Тем не менее, он по-прежнему довольно популярен. Одним из больших преимуществ релейной логики является простота устранения неполадок в логике.

Поскольку язык основан на визуальном представлении, то удается относительно легко определять, где в цепочке/схеме могут быть неточности в логике. Кроме того, благодаря своему сходству со схемами релейного управления, релейная логика дает электрикам, инженерам и техническим специалистам преимущество, заключающееся в возможности легкого перехода между программируемой релейной логикой и проводными цепными схемами.

Краткий материал с описанием "Что такое ПЛК?" опубликован в рубрике "Автоматизация" ранее, с ним вы можете ознакомиться по ссылке.

Усиление государственного регулирования в области энергосбережения (ФЗ 261 и другие нормативные акты) и сложность экономической ситуации в России стимулирует собственников к учету и экономии ресурсов. Соответственно увеличивается охват хозяйственной деятельности различных субъектов экономики приборами учета, и у каждого такого субъекта встает задача выбора наиболее подходящих ему приборов учета. Критерии такого выбора могут быть самые разные. Если у субъекта стоит задача автоматического сбора показаний счетчиков в единый центр учета энергоресурсов, то такие счетчики должны быть оснащены цифровым интерфейсом для передачи данных. В существующих решениях по построению распределенных АСКУЭ основной упор делается на выбор физической среды передачи данных от счетчика на верхний уровень (PLC-технология передачи по силовой линии, радиоканал, проводная связь RS 485, Ethernet и др.). Вместе с тем имеет определенное значение и используемый протокол передачи данных.

Несмотря на это, в настоящее время российские производители приборов учета не придерживаются какой-либо общепризнанной системы в выборе протоколов, вследствие чего наблюдается целый «зоопарк» разнообразных протоколов у производителей приборов учета. Это затрудняет их интеграцию в АСКУЭ. Учет используемых протоколов при осознанном выборе приборов может оказаться полезным для хозяйствующего субъекта. В настоящей статье приводится обзор широко используемых и перспективных протоколов передачи данных приборов учета, используемых в России и Европе. В обзоре рассматриваются протоколы, отвечающие российским/европейским стандартам, и не рассматриваются частные фирменные разработки, из-за их ограниченной сферы применения.

Протокол Modbus

Начнем с вездесущего протокола Modbus. Он используется в самых разных областях автоматизации, в том числе и в приборах учета электричества, газа, воды и тепла. Широко распространен как за рубежом, так и в России. Этот протокол основан на архитектуре ведущий/ведомый, может использоваться для передачи данных через последовательные интерфейсы RS 485/422/232, а также через сети TCP/IP. Типы данных – однобитовые (Coils) и целочисленные (Registers). К достоинствам данного протокола относится открытость, простота, массовое распространение, дешевизна технологии. Тем не менее, для задач учета этот протокол подходит не в полной мере.

Недостатки:

1. Определяет метод передачи только двух типов данных;

2. Не регламентирует начальную инициализацию системы. Назначение сетевых адресов и прописывание в системе параметров каждого конкретного устройства выполняются вручную на этапе адаптации и программирования системы;

3. Не предусмотрена передача сообщений по инициативе подчиненного устройства (прерываний);

4. Длина запроса ограничена, а данные могут быть запрошены только из последовательно расположенных регистров;

5. Не предусмотрен способ, с помощью которого подчиненное устройство могло бы обнаружить потерю связи с ведущим;

6. Соответствие регистров типам измерений и измерительным каналам не регламентировано.

На практике это может приводить к несовместимости протоколов счетчиков разных типов даже одного производителя и к необходимости поддержки большого числа протоколов и их модификаций встроенным ПО устройств сбора и передачи данных (УСПД) (при двухуровневой модели опроса – ПО сервера сбора) с ограниченной возможностью повторного использования программного кода.

С учетом избирательного следования протоколу производителями (использование нерегламентированных алгоритмов подсчета контрольной суммы, изменение порядка следования байтов и т. п.) ситуация усугубляется еще больше.

Протокол DLMS/COSEM

Гораздо более сложным, чем протокол Modbus, является протокол DLMS/COSEM (IEC 62056), применяемый для учета электричества, газа, воды, тепла. Он распространен преимущественно за рубежом. Это стек ориентированный протокол, базирующийся на концепциях модели OSI, регламентирующий обмен данными между приборами учета и системами сбора данных, в основе которого лежит клиент-серверная архитектура.

DLMS – спецификация прикладного уровня, разработанная для стандартизации сообщений, передаваемых по распределительным линиям. Ею регламентируются: дистанционное считывание показаний с приборов учета, дистанционное управление, а также дополнительные сервисы для измерения любого вида энергоресурса.

COSEM – спецификация, в которой отражена интерфейсная модель приборов учета, обеспечивающая представление их функциональных возможностей. Интерфейсная модель использует объектно-ориентированный подход.

Достоинства протокола:

1. Возможность широкого выбора интерфейсов для передачи данных: RS 232/485, PSTN, GSM, GPRS, IPv4, PPP и PLC;

2. Определяет интерфейсную модель, действительную для любого типа энергоресурса. Система, построенная на базе протокола DLMS/COSEM, открыта для расширения путем добавления новых возможностей без изменения имеющихся сервисов;

3. Стандартизует функционал прибора учета: регистрация потребления, тарифное планирование, измерение качества электроэнергии и др.;

4. Обеспечивает контролируемый и безопасный доступ к информации внутри прибора учета (открытый доступ, доступ по паролю и с аутентификацией). Информация, передаваемая по коммуникационным линиям, может быть дополнительно зашифрована;

5. Позволяет создавать унифицированные драйверы, посредством которых становится возможным связываться с приборами учета разных типов от различных производителей;

6. Широко распространен среди зарубежных приборов учета.

Однако у DLMS/COSEM есть и весомые недостатки:

1. Проблема полноты и “чистоты” реализации стандарта. На практике опрос счетчика с заявленной поддержкой DLMS одного производителя программой опроса другого производителя либо ограничен основными параметрами, либо попросту невозможен;

2. Большая сложность протокола;

3. Крайняя непопулярность среди отечественных производителей приборов учета.

Протокол M BUS

Далее рассмотрим протокол M BUS (ГОСТ Р ЕН +7(1434-3-2011, EN1434-3, EN13757). Сферой его применения являются преимущественно учет тепла и воды, также возможен учет электричества и газа. Он широко распространен в Европе, в России он тоже набирает популярность. Архитектура шины ведущий/ведомый. Используется стандартный телефонный кабель, шина полудуплексная, допустимые скорости передачи данных 300…9600 бит/с. Число устройств в сети – до 250 ед. Дальность работы в стандартной конфигурации до 1000 м. Логическая единица передается уровнем 36 В, с возможностью потребления от линии тока до 1,5 мА, логический ноль передается напряжением 24 В на master устройстве. Мастер передает данные меняя напряжение на линии: логической «1» соответствует 36 В, логической «0» 12…24 В. Ведомое устройство передает данные нагружением линии: в пассивном состоянии (логическая «1») ток нагрузки на линию связи должен быть ≤ 1,5 мА и не меняться в отсутствие передачи. Для передачи логического «0» ведомое устройство увеличивает ток потребления до 11…20 мА. Соответственно мастер отслеживает изменение тока нагрузки, определяя логическую «1» как неизменный ток, а увеличение тока потребления – как логический «0».

Стандарт тщательно оптимизирован для пониженного потребления и позволяет обходиться без отдельного внешнего источника питания конечного устройства, используя внутреннюю батарею и питание от самой линии, также отсутствует необходимость соблюдения полярности. Специфицирован также вариант M Bus для беспроводных сетей – Wireless M Bus (частота устройств 868,95 МГц).

Протокол хорошо проработан, его несомненными достоинствами являются:

1. Архитектура сети (витая пара) может быть практически любой топологии (кроме закольцованных);

2. Гарантированная передача данных относительно небольшого объема от большого числа приборов учета на расстояние до нескольких километров в условиях высокого уровня помех;

3. Умеренная стоимость оборудования и затраты на установку и эксплуатацию;

4. Простота расширения системы в течение эксплуатации;

5. Пассивное электропитание интерфейса Slave- устройств;

6. В развитии стандарта предлагается криптографическая защита данных с помощью симметричного шифра AES.

Недостатки протокола:

1. Применяется только в тех задачах, где не критична низкая скорость передаваемых данных;

2. Соответствие передаваемых данных типам измерений и измерительным каналам не регламентировано;

3. Ограниченный выбор оборудования на российском рынке для построения сетей M Bus. Недостаток справочной и технической документации.

ГОСТ Р МЭК 60870-5

Хорошо разработанным является набор протоколов по ГОСТ Р МЭК 60870-5 «Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи» (IEC 60870-5). Он используется, как правило, при интеграции систем телемеханики и учета электроэнергии. Например, при мониторинге состояния сетей 0,4/10 кВ. Он распространен за рубежом и несколько ограниченно в России. Это хорошо проработанный ряд стандартов, охватывающий разные уровни сетевого взаимодействия: начиная от физического уровня и кончая прикладным уровнем. На физическом уровне используется асинхронный интерфейс (UART). Диапазон скорости 300…9600 бод. Поддерживается также работа со стандартными сетями TCP/IP (Ethernet и модемное соединение). Возможно шифрование данных. Раздел +7(60870-5-102 является обобщающим стандартом по передаче интегральных параметров в энергосистемах. Стандарт +7(60870-5-104, например, может использоваться при передаче данных по Ethernet, а стандарт +7(60870-5-101 – при передаче данных через GSM/GPRS модем.

В качестве замечаний можно высказать следующее:

1. Поддержка этих протоколов счетчиками электроэнергии довольно ограничена;

2. Ограниченная поддержка протоколов системами верхнего уровня.

Стандарт PLC (IEC 61344)

Сферой применения стандарта PLC (IEC 61344) преимущественно является сбор данных с электросчетчиков. Также иногда допускается подключение расходомеров, теплосчетчиков, газовых корректоров. Распространен стандарт, как за рубежом, так и в России. Среда передачи данных — электросети среднего (4…30 кВ) и низкого напряжения (0,2…0,4 кВ). Для передачи данных используются различные виды модуляции электрического сигнала (S FSK, SS-FFH, OFDM, DCSK). Существуют сети PLC-I и PLC-II. Сети PLC-I могут выполнять статистические функции, то есть сбор и обработку информации за определенные временные отрезки, на основании которой производятся анализ и расчеты за потребленные виды энергии. АСКУЭ, построенная на базе оборудования PLC-II, кроме возможности статистического учета, может выполнять оперативно-измерительные функции, то есть в режиме, приближенном к режиму реального времени, отслеживать потребление и качество энергоносителей. Также через PLC-II можно управлять нагрузкой (включать/отключать потребителей). Основное назначение оборудования PLC-I – построение недорогой АСКУЭ бытовых потребителей. При необходимости получения более широкого набора данных необходимо развертывать более дорогие сети PLC-II. На большинстве объектов связь для PLC-I обеспечивается на расстоянии 400…800 м; на новых сетях, выполненных самонесущим проводом, – до 1000 метров. Для увеличения этого расстояния требуются ретрансляторы. Применение ретрансляторов увеличивает расстояние уверенного приема в 1,5…1,8 раза.

К достоинствам этого способа связи относятся:

1. Удешевление и упрощение монтажа за счет отсутствия необходимости прокладывать дополнительные информационные кабели для сбора данных. Это особенно важно, когда нужно сохранить интерьер помещений (особенно уже отремонтированных), или если сбор данных ведется с территориально разбросанных счетчиков (коттеджные и дачные поселки);

2. Пусконаладочные работы не требуют какой-то особой квалификации и могут выполняться силами местных специалистов. При грамотном монтаже оборудование PLC связи не нуждается в наладке.

Недостатки:

1. Максимальная длина линии связи сильно зависит от качества силового кабеля («скрутки», плохие контакты или износ линий) и от наличия помех от подключенного оборудования (мощные моторы, преобразователи частоты, устройства плавного пуска). В случае «плохой» силовой линии иногда бывает невозможно ее использовать для передачи данных;

2. Ограниченный набор передаваемых данных в наиболее распространенных недорогих сетях PLC-I;

3. Несмотря на наличие стандарта IEC 61344, каждый производитель использует свои закрытые протоколы обмена данными, а часто и свои способы модуляции сигнала. Поэтому применение различных PLC-устройств в рамках одной сети 0,4 кВ проблематично, а часто и просто невозможно. Соответственно с один раз выбранным поставщиком придется работать долгие годы;

4. Достаточно сложные технические решения при необходимости установить связь между приборами, находящимися на нескольких понижающих подстанциях, подключенных к одной линии 10 кВ, и базовой станцией, также находящейся на одной из этих подстанций.

Заметим, что стоит отличать собственно стандарт PLC (IEC 61344) и PLC-технологию передачи данных по силовой линии. Указанная PLC–технология используется не только стандартом IEC 61344, но стандартами DLMS\COSEM, KNX, LonWorks и некоторыми другими.

Стандарт Euridis

В заключение в качестве достаточно нового зарубежного протокола рассмотрим Euridis (IEC 62056-31). Сферой его применения является учет электричества. Распространен он довольно ограниченно – преимущественно Франция, Северная Африка. В качестве среды передачи используется витая пара, длина линии – до 500 м, число устройств в сети – до 100 ед., скорость передачи – 1200 бит/с. Для связи используется асинхронная, полудуплексная, двунаправленная передача данных. В качестве положительных сторон данного протокола отметим наличие процедуры аутентификации для защиты данных и невысокую стоимость оборудования.

К недостаткам протокола отнесем:

1. Ограниченный регион распространения;

2. Небольшое число устройств с поддержкой данного протокола;

3. Ограниченную среду передачи – витая пара. Для использования других сред требуются шлюзы;

4. Применяется только в тех задачах, где не критична низкая скорость передаваемых данных.

Краткая оценка протоколов

Протокол Euridis, распространен только в отдельных регионах. Его применение ограничивается электроэнергетикой.

Протокол Modbus имеет большую популярность, но ему присущ ряд существенных недостатков, ограничивающих его применение в системах учета энергоресурсов. На сегодняшний день ModBus не способен решить проблему протокольной разобщенности измерительного и контрольного оборудования для энергосистем.

ГОСТ Р МЭК 60870-5 предоставляет достаточно гибкий набор протоколов, что кроме преимуществ вносит и дополнительные сложности: разные производители приборов учета/УСПД могут поддерживать разные протоколы, что затрудняет их интеграцию в единую систему. Хотя применение этого стандарта в настоящее время ограниченно преимущественно электроэнергетикой, в этой сфере у него сильные позиции.

Протокол M BUS является весьма перспективным, для него разработаны законченные АСКУЭ, создана Open Metering System – европейская инициатива, преследующая цель унифицировать сбор данных с приборов учета ресурсов на основе шины M BUS. Успехом завершились усилия по интеграции шины KNX и M BUS, что позволяет строить законченные решения по автоматизации зданий. Заметим все же, что в протоколе M BUS соответствие передаваемых данных типам измерений и измерительным каналам не регламентировано, что требует индивидуальной настройки считывающего устройства верхнего уровня (наподобие УСПД) под конкретный прибор учета.

Протокол DLMS/COSEM позволяет теоретически добиться построения систем сбора данных, независимых от конкретного производителя и модификации прибора учета. То есть такие системы являются наиболее гибкими и открытыми. Среди зарубежных производителей он является одним из самых распространенных. Недостатком протокола является его существенная сложность.

Применение стандарта PLC является хорошим и недорогим способом для построения систем учета электроэнергии.

Заключение

Таким образом, ни один из существующих протоколов не является единственным кандидатом на роль универсального протокола для всех приборов учета. Что же делать системному интегратору, собирающемуся строить АСКУЭ с централизованным сбором данных?

При достаточной квалификации инженеров и ограниченных средствах можно посоветовать взять приборы учета с протоколом Modbus – вариант «дешево и сердито». При этом будет гарантировано как наличие достаточной номенклатуры счетчиков, поддерживающих данный протокол, так и умеренную стоимость получаемого решения. Правда, при этом потребуется достаточно трудоемкая задача считывания данных из нужных регистров, если не воспользоваться какой-либо готовой фирменной утилитой от производителя счетчиков.

При внешней привлекательности DLMS/COSEM становиться российским первопроходцем решения на его основе будет весьма накладно. Российских счетчиков с таким протоколом нет, использовать европейские при текущем курсе евро – недешево. Потребуется использовать и западный нерусифицированное программное обеспечение на верхнем уровне, что влечет непростую наладку и последующее дорогостоящее обслуживание.

Использование приборов учета с M BUS полностью оправдано для жилищного строительства премиум-сегмента (офисные «интеллектуальные» здания, дорогостоящие коттеджи). При этом система учета на M BUS может быть гармонично интегрирована в существующую систему автоматизации на основе европейской шины KNX, что обеспечит полную и прозрачную автоматизацию сверху донизу. Можно M BUS использовать и для обычного жилья, но здесь тормозящим фактором выступит не слишком большая распространенность этого протокола, и как следствие, привязка в дальнейшем к раз выбранному вендору.

Если стоит задача мониторинга и учета электроэнергии на оптовом и розничном рынках (например, мониторинг трансформаторных подстанций), то следует обратить особое внимание на решения на основе протоколов ГОСТ Р МЭК 60870-5. Эти протоколы хорошо приспособлены для решения этой задачи. Такой протокол может быть использован при передаче данных от электросчетчиков/УСПД на верхний уровень (SCADA-система, АСКУЭ).

При сборе данных о потребленном электричестве с низового уровня (с электросчетчиков) предпочтителен протокол PLC, когда прокладка кабеля с данными (RS 485, Ethernet) невозможна (порча интерьера помещения) или дорогостояща (большие расстояния).

Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА)

Протоколы связи являются важной частью ПО автоматизации. В настоящее время даже простые датчики имеют встроенные коммуникационные порты для обмена данными, не говоря уже о ПЛК. В этой связи стоит рассмотреть два старейших, но до сих пор широко используемых протокола связи – Modbus и Profibus. Оба звучат одинаково, но имеют свои особенности. В чем между ними разница? Отвечает на этот вопрос статья на портале InstrumentationTools.

Что такое Modbus?

Modbus – это протокол связи, разработанный компанией Schneider Electric, ранее известной как Modicon. Вот почему он называется Modbus. Modbus передает данные по последовательной линии, в которой используются аппаратные интерфейсы, такие как RS-232, Ethernet и RS-485.

Последовательная линия связи означает, что одновременно передается и принимается только один бит. Не допускается одновременная передача нескольких битов. Таким образом, последовательная связь немного медленнее параллельной.

Modbus имеет два формата – RTU и ASCII. RTU используется в двоичном формате, тогда как ASCII использует в текстовый формат ASCII. Modbus – это открытый протокол, то есть любой поставщик может использовать его, встроив в соответствующее программное обеспечение.

Modbus работает в формате ведущий-ведомый. Это означает, что есть одно ведущее устройство, которое запрашивает данные от других ведомых устройств. Подчиненные устройства отвечают и обмениваются данными с ведущим.

В стандартной сети Modbus может быть максимум 247 подчиненных устройств. Бит отправляется и принимается в виде напряжения. Нулевой бит означает +5 В, а единичный бит означает -5 В. Modbus идентифицируется по таким данным, как адреса регистров катушек, код функции, идентификатор устройства и тип чтения/записи.

Кроме того, одной из основных функций, связанных с данными Modbus, является CRC (cyclic redundancy code – циклический избыточный код). Два байта добавляются в конце каждого сообщения Modbus для обнаружения ошибок.

Что такое Profibus?

Profibus означает Process (Pro) Field (Fi) Bus и был разработан Siemens. Profibus можно назвать расширением протокола Modbus, и он более продвинут. Profibus существует в двух модификациях: Profibus DP (Decentralized Peripherals – децентрализованная периферия) для автоматизации машин и Profibus PA (Process Automation – автоматизация процессов) для автоматизации процессов. В них встроены дополнительные функции в соответствии с требованиями приложения. Это позволяет программистам использовать протоколы в соответствии с их задачами. Но, в отличие от Modbus, который работает на трех разных аппаратных уровнях, этот протокол работает только в RS-485.

Единственное, что отличает Profibus – это режим с несколькими мастерами, в то время как Modbus позволяет использовать только одного мастера. Это возможно за счет дополнительного протокола Token Ring в нем. Каждый мастер проходит последовательность запуска при холодном или теплом старте.

Подчиненные устройства ждут, пока мастер запросит данные, и если они не получат ни одного запроса в течение определенного периода времени, он перейдет в спящий режим. В этом случае мастеру необходимо снова пройти этап запуска и инициировать связь. Это означает, что все ведущие и ведомые устройства доступны в сети для корректной связи. Однако режим с несколькими ведущими устройствами доступен только в системе Profibus PA.

Разница между Modbus и Profibus

1. Modbus – это открытый протокол, тогда как Profibus таковым не является, т.е. никто не может его свободно использовать.

2. Modbus разработан компанией Schneider Electric, а Profibus – компанией Siemens.

3. Двумя вариантами Modbus являются Modbus RTU и Modbus ASCII, тогда как двумя вариантами Profibus являются Profibus DP и Profibus PA.

4. Profibus обеспечивает более скоростную связь, чем Modbus.

5. Modbus может работать на разных аппаратных уровнях, таких как RS-232, RS-485 и Ethernet, тогда как Profibus может работать только на уровне RS-485.

6. У Modbus может быть только один Мастер, тогда как у Profibus может быть несколько Мастеров.

7. С точки зрения программирования Modbus намного проще в использовании, чем Profibus.

8. Profibus более эффективен и надежен для использования в сложных сетях связи, чем Modbus.

9. Profibus имеет больше возможностей для диагностики и устранения неисправностей, чем Modbus.

Сравнение Modbus и Profibus

Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики

Объем рынка программного обеспечения промышленной автоматизации оценивается в $37,84 млрд в 2024 году и, как ожидается, достигнет $55,34 млрд к 2029 году, со среднегодовым темпом роста 7,9%. Такие данные в своем отчете приводит аналитическое агентство Mordor Intelligence. Величина рынка ПО автоматизации в целом, т.е. не только производственных процессов к 2030 году составит $76,4 млрд, приращивая в среднем по 16,5% в год, что отражено в исследовании агентства Acumen Research and Consulting. Также прилагаем данные о рыночной нише ПО автоматизации и диспетчеризации SCADA, подготовленные агентством Precedence Research.

Приводим выдержки из исследований и начнем обзор с рынка программного обеспечения промышленной автоматизации, а после рассмотрим рынок автоматизации в целом.

Что дает ПО автоматизации

• Программное обеспечение промышленной автоматизации является основополагающей системой управления всех производственных процессов.

• Промышленная автоматизация дает такие преимущества, как упрощенный мониторинг, сокращение машино-часов на выполнение операций, снижение отходов и увеличение скорости производства.

• ПО автоматизации сокращает время простоев, уменьшает количество сбоев и помогает составить график технического обслуживания, а также позволяет переключиться из режима ожидания и реакции на уже возникшие проблемы в состояние прогнозирования, т.е. создать предписывающие меры для принятия решений (предиктивная аналитика).

• Автоматизация снижает затраты и повышает качество управления производством за счет подключения промышленного оборудования к АСУ ТП и получения данных в режиме реального времени. Ключевую роль здесь играет внедрение широкого спектра программно-аппаратных средств, перечислим лишь аббревиатуры: SCADA, HMI, ПЛК, MES, APM, APC, PLM, OTS и ПО визуализации.

Тенденции глобального рынка промышленной автоматизации

• Ожидается, что глобальный спрос на интернет-технологии сместится от потребительского спроса в сторону промышленного пространства, в первую очередь благодаря различным приложениям Индустрии 4.0.

• Промышленный Интернет вещей (IIoT) и упомянутая Индустрия 4.0, совместно входят в такое понятие как интеллектуальная автоматизация производства (Intelligent Process Automation – IPA), находящаяся в центре новых технологических подходов по разработке, производству и управлению цепочкой технологических операций. Это доминирующие тенденции в промышленном секторе, где машины и устройства подключаются через интернет.

• Росту рынка будут способствовать перерабатывающие отрасли промышленности, такие как химическая, нефтяная, газовая, целлюлозная и пищевая, а также энергетика, коммунальное хозяйство, фармацевтика и водоочистные предприятия.

• Согласно исследованию корпорации Microsoft 85% компаний имеют по крайней мере один проект использования IIoT. Это число, вероятно, увеличится, поскольку 94% респондентов заявили, что внедрили стратегии IIoT еще в 2021 году. Кроме того, по данным GE Digital, 58% производителей Интернета вещей говорят, что именно промышленный Интернет вещей в производстве чрезвычайно важен для успешной цифровой трансформации бизнеса.

• Из-за высокого уровня внедрения подключенных устройств и датчиков, участвующих в обеспечении межмашинной связи (Machine-to-Machine – M2M) произошел всплеск генерации данных во всех отраслях промышленности, включая нефтегазовую, химическую, энергетическую, автомобильную и ЖКХ.

• С ростом числа подключенных устройств и соответственно M2M-соединений, станет более заметной и значимой потребность в их мониторинге и контроле.

• Разработки в области искусственного интеллекта (ИИ) и робототехники призваны помочь или даже полностью автоматизировать многие задачи социального взаимодействия. Достижения в области робототехники находят применение также в сфере услуг, включая здравоохранение, логистику, экспертизу и уборку, хотя большинство из них по-прежнему связаны с промышленной автоматикой.

• Решения промышленной автоматизации, такие как SCADA, позволяют сократить трудозатраты, необходимые для выполнения задач, тем самым снижают соответствующие затраты на рабочую силу, являющиеся одной из крупнейших статей расходов любого бизнеса.

• Промышленные роботы используются для выполнения различных задач во многих отраслях. Хотя высокоавтоматизированный сектор автомобилестроения остается одной из наиболее важных областей применения электромеханических машин, больше всего промышленных роботов установлено в электротехнической и электронной промышленности. Такие отрасли, вероятно, повысят спрос на программное обеспечение, что в ближайшем будущем соответственно увеличит спрос на робототехнику.

• По данным Международной федерации робототехники, поставки промышленных роботов в ближайшие годы увеличатся, даже превысив пик 2018 года. Ожидается, что в 2024 году поставки промышленных роботов по всему миру достигнут 518 тысяч штук.

Ограничивающие факторы: первоначальные затраты, связанные с внедрением решений промышленной автоматизации достаточно высоки. Кроме того, затраты на найм и обучение сотрудников, способных работать с данными продуктами, увеличивают общую стоимость владения решением, что может препятствовать росту рынка. Пандемия COVID-19 привела к падению рейтингов различных предприятий и негативно повлияла на рост рынка программного обеспечения промышленной автоматизации. Многим средним и малым предприятиям были необходимы дополнительные инвестиции с тем, чтобы позволить себе внедрение АСУ ТП.

Ключевые игроки рынка ПО промышленной автоматизации

Рынок программного обеспечения промышленной автоматизации является умеренно конкурентным и состоит из нескольких главных игроков. Ключевые из них, занимающие заметную долю на рынке, концентрируются на расширении клиентской базы за рубежом.

Лидеры глобального рынка программного обеспечения промышленной автоматизации

1. Emerson Electric Co.

2. ABB Ltd.

3. Siemens AG

4. General Electric Company

5. Schneider Electric SE

Лидеры европейского рынка программного обеспечения для промышленной автоматизации

1. Siemens AG

2. ABB Ltd.

3. IBM Corporation

4. Emerson Electric Co.

5. Rockwell Automation, Inc.

Европейский рынок ПО автоматизации

На европейском рынке ожидается значительный рост. Отрасль робототехники и автоматизации является одной из самых инновационных в машиностроительном секторе Германии. Немецкие OEM-производители входят в число ведущих мировых научно-исследовательских компаний. Технологии взаимодействия человека и робота (HRC – Human-Robot Collaboration) и машинного зрения (MV – Machine Vision) находятся в центре внимания европейских и мировых производителей робототехники. Разработки в области искусственного интеллекта, включая машинное обучение приведут к еще большему внедрению как обычных промышленных роботов, так и коллаборативных роботов – коботов, т.е. манипуляторов, которые совместно с человеком участвуют в производственном процессе.

За последнее десятилетие индустрия машинного зрения в Германии и Европе росла быстрыми темпами. Помимо автомобильной, электротехнической и электронной промышленности, включая производство полупроводников, технологии машинного зрения используются в металлургии, пищевом производстве и упаковке, а также в непроизводственных отраслях, таких как дорожное движение, медицинское диагностическое оборудование и хирургия.

Многие исследовательские и инновационные программы ЕЭС постоянно поддерживают разработку цифровой автоматизации, оптимизации процессов производственных активов, технологии моделирования и анализа, а также инновации в области ИКТ для производственных малых и средних предприятий. В Великобритании, например, создается новый национальный исследовательский центр робототехники для развития интеллектуального производства, а ряд проектов финансируются государственно-частным партнерством под названием «Фабрика будущего».

Введение строгих стандартов энергосбережения и стремление к местной переработке стимулируют рынок Европы

Растущее регулирование энергопотребления по всей стране, введение строгих стандартов энергосбережения и стремление к местной переработке в Европе способствуют росту ПО промышленной автоматизации.

В мае 2022 года Европейская комиссия представила детали своего плана по уменьшению и последующей ликвидации зависимости энергетики Европы от российского ископаемого топлива. Осуществление этих целей считается возможным посредством энергосбережения, диверсификации поставок и быстрой замены ископаемого топлива на экологически чистые источники энергии.

Инвестиции четырех национальных сетевых операторов Германии в размере $50 млрд ассигнованы на значительное увеличение мощностей по передаче электроэнергии. Это, вероятно, также приведет к увеличению использования ПЛК в автоматизированных системах и будет стимулировать рынок в целом.

Рынок программного обеспечения автоматизации в целом

Основные показатели рынка программного обеспечения автоматизации по данным агентства Acumen Research and Consulting:

· Оборот мирового рынка ПО автоматизации возрастет с $19,9 млрд в 2021 году до 76,4 млрд к 2030 году, при этом среднегодовой темп роста составит 16,5%.

· На облачный сегмент продуктов ПО автоматизации в 2021 году пришлось более 58% общей доли рынка.

· Сегмент производственных приложений будет расти в среднем на 17,1% в год в период с 2022 по 2030 годы.

· Среднегодовой темп роста сегмента продуктов локального использования составит 17,3%.

· Увеличению рынка ПО автоматизации будет способствовать растущее внедрение новых технологий цифровой индустриализации, таких как например, промышленный Интернет вещей.

Динамика мирового рынка программного обеспечения автоматизации

Драйверы рынка:

· Растущая потребность в автоматизации для обеспечения высокого качества и надежности операций.

· Требование устранения человеческих ошибок и повышения эффективности использования времени.

· Увеличение внедрения массового производства с меньшими эксплуатационными расходами.

· Растущий спрос на повышение производительности труда и контроля над операциями.

· Широкое внедрение Индустрии 4.0 и новых технологий цифровой индустриализации, таких как промышленный Интернет вещей (IIoT) и облачные решения.

Перечисленные выше факторы будут способствовать увеличению рыночной стоимости ПО автоматизации.

Рыночные ограничения

· Ограниченная профессиональная доступность и осведомленность о безопасности ПО.

· Отсутствие развитой инфраструктуры в развивающихся странах для внедрения передовых устройств и нехватка квалифицированных специалистов.

· Высокие затраты на внедрение решений промышленной автоматизации.

Однако увеличение государственных расходов на обучение новых специалистов, высокие инвестиции со стороны крупных игроков и запуск новых продуктов являются факторами, которые, как ожидается, создадут новые возможности для игроков, работающих на рынке программного обеспечения промышленной автоматизации. Кроме того, ожидается, что растущее партнерство между региональными и международными игроками будет способствовать росту доходов данного рынка.

Некоторые факты. В 2021 году правительство США заявило, что потратит $10,9 млрд на интеллектуальную автоматизацию процессов (IPA). В то время как услуги искусственного интеллекта (ИИ) и роботизированной автоматизации процессов (Robotic Process Automation – RPA), как ожидается, будут иметь меньшие расходы – $4 млрд и $5,4 млрд соответственно. Кроме того, увеличение количества слияний и поглощений, а также появление новых продуктов для развития бизнеса и расширения клиентской базы будет способствовать росту рынка ПО промышленной автоматизации.

Сегментация рынка программного обеспечения автоматизации

Ожидается, что на сегмент локального программного обеспечения будет приходиться наибольшая доля доходов в течение прогнозируемых лет. Локальные версии ПО значительно более безопасны, поскольку программное обеспечение устанавливается внутри помещений, что обеспечивает превосходный контроль данных. С этой точки зрения локальное программное обеспечение предпочтительнее облачного, поскольку оно более защищено. Вместе с тем в облачном сегменте в 2021 году находилось более 58% предлагаемых продуктов.

Рынок программного обеспечения для автоматизации по приложениям:

· Банки, финансы, страхование

· ИТ и телекоммуникации

· Розничная торговля и потребительские товары

· Путешествия и гостиничный бизнес

· Здравоохранение

· Образование

· СМИ и развлечения

· Производство

· Другие

Ожидается, что благодаря своей высокой эффективности программное обеспечение автоматизации получит более широкое признание в обрабатывающей промышленности, что приведет к увеличению доходов в этом секторе.

Региональное распространение ПО автоматизации

Доля рынка программного обеспечения средств автоматизации по регионам –  страны, лидеры в области разработки ПО:

Северная Америка – США, Канада

Европа – Великобритания, Германия, Франция, Испания

Азиатско-Тихоокеанский регион – Индия, Япония, Китай, Австралия, Южная Корея

Латинская Америка – Бразилия, Мексика

Ближний Восток и Африка – ЮАР, страны Персидского залива

Ожидается, что в Азиатско-Тихоокеанском регионе будет наблюдаться самый быстрый среднегодовой темп роста программного обеспечения автоматизации, в частности из-за высоких государственных расходов на инфраструктуру.

Ведущие игроки рынка программного обеспечения автоматизации

В число ведущих компаний на рынке программного обеспечения автоматизации входят:

· ClickDimensions

· Act-On Software

· Oracle

· ActiveCampaign

· Sendinblue

· SAS

· Acoustic

· Salesforce

· GetResponse

· HubSpot

Некоторые из ключевых стратегий на мировом рынке автоматизации:

В 2021 году UiPath, ведущая компания по разработке программного обеспечения для автоматизации предприятий открыла свою первую школу автоматизации в Ирландии с тем, чтобы обучать новое поколение рабочей силы навыкам автоматизации.

В 2020 году компания Automation Anywhere, лидер в области роботизации, запустила своего банковского бота на базе искусственного интеллекта, который ускорит обработку кредитов с 3 недель до 3 дней.

Аналитическая сводка рынка SCADA (ПО диспетчерского управления и сбора данных) агентства Precedence Research

Исследование утверждает, что рынок возрастет с $10,56 млрд в 2023 году до $28,6 млрд к 2032 году, прибавляя в среднем 11,7% в год.

Расширению рынка SCADA способствуют факторы, присущие для всего рынка ПО автоматизации, плюс растущее внедрение решений для промышленной мобильности. Глобальный рынок растет также благодаря увеличению использования облачных систем SCADA, развитию таких инфраструктур как умный город и умный транспорт.

Нефтегазовый сегмент доминировал на мировом рынке SCADA в 2022 году по выручке. Однако сегмент продуктов питания и напитков, может также стать наиболее перспективным, поскольку в данном случае SCADA используется для визуализации производства и упаковки, соблюдения стандартов качества пищевых продуктов, сокращения отходов и профилактического обслуживания оборудования.

Азиатско-Тихоокеанский регион доминировал на мировом рынке SCADA в 2022 году и сохранит свои позиции, поскольку он является производственно-техническим центром, который поможет разрабатывать приложения SCADA, где такие страны, как Южная Корея, Китай и Япония предлагают лучшие решения.

Северная Америка также будет наиболее перспективным сегментом. Передовые решения и быстрое развитие технологий являются решающими факторами для огромного роста в этом регионе.

Лидеры рынка SCADA систем:

· Schneider Electric SE

· ABB Ltd.

· Hitachi Ltd.

· IBM Corporation

· Emerson Electric Co.

· Rockwell Automation Inc.

· Honeywell International Inc.

· Mitsubishi Electric Corporation

· Yokogawa Electric Corporation

· Omron Corporation

Завершая обзор следует привести данные о всём рынке программных и аппаратных средств промышленной автоматики. По данным того же агентства Precedence Research он возрастет с $211,58 млрд в 2023 году до $459,51 млрд к 2032 году, прибавляя в среднем по 9% в год.

Цифровизация и автоматизация стали уже целью, а требованием рынка

Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) являются основным устройством, с помощью которого производится управление оборудованием дискретного производства. В дискретном производстве происходит переработки материала из заготовки в конечный продукт. Такой техпроцесс требует гибкой настройки оборудования, необходимой для изготовления изделий с индивидуальными требованиями.

Приводим материал журнала Control Engineering, в котором даются базовые знания о применении ПЛК и ПО автоматизации в техпроцессах.

Используемые в производстве промышленные контроллеры фактически являются компьютерами, управляющими электромеханическими устройствами, и осуществляют функции дискретного и непрерывного управления. Однако они отличаются от обычных компьютеров по нескольким важным признакам:

1. ПЛК имеет физические и электрические входы и выходы (I/O), которые передают в систему информацию и управляют внешними устройствами.

2. ПЛК обрабатывает и реагирует на информацию в определенных временных интервалах.

3. ПЛК часто имеет модульное исполнение и расширяется модулями ввода/вывода, сетевыми модулями и модули специального назначения.

4. ПЛК программируется с использованием нескольких языков, некоторые из которых позволяют изменять программу во время исполнения алгоритма.

5. Программное и аппаратное обеспечение обычно зависит от платформы производителя и не может использовать разными производителями.

6. ПЛК отличается повышенной надежностью для использования в промышленной среде.

В отличие от компьютеров, промышленные контроллеры предназначены для работы 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, могут работать в суровых условиях эксплуатации, противостоять вибрации и электромагнитным помехам. Некоторые модели модульных ПЛК показаны на рисунке 1.

Физическое компоновка элементов ПЛК

Блок-схема физического устройства ПЛК показана на рисунке 2. Не все элементы, показанные на этой схеме, присутствуют в каждом ПЛК, но эта схема дает представление о типичной конфигурации программируемого контроллера.

Процессор (ЦП). ЦП содержит операционную систему и обрабатывает всю логику, загруженную в контроллер. Обычно в него встроены часы реального времени. Системная память также тесно связана с процессором.

Память ПЛК. Память ПЛК состоит из операционной системы и встроенного ПО процессора (иногда называемого системной памятью), встроенного ПО модуля (если имеется), а также программы и данных, которые используются программистом. Существуют энергозависимые и энергонезависимые области памяти. Энергозависимой части памяти нужна батарея, «суперконденсатор» или другой перезаряжаемый модуль для хранения программы и/или данных.

Хотя программу можно сохранить на флэш-картах или картах SD RAM без использования батареи, скорость обмена данными у них слишком низкая, чтобы использовать ее для фактического взаимодействия программы с ее данными.

При включении ПЛК программа загружается из энергонезависимой карты ОЗУ в пользовательскую память контроллера. Не все платформы ПЛК резервируют пользовательскую память с помощью батареи или другого устройства хранения энергии, данные в памяти могут быть потеряны при отключении питания процессора. Однако некоторые платформы гарантируют, что данные сохранятся даже при отключении питания за счет использования оперативной памяти с батарейным питанием. Это означает, что значения в регистрах данных будут сохранены, и программа запустится в своем последнем состоянии. Некоторые платформы ПЛК назначают отдельные части ОЗУ «сохраняемыми», а другие – несохраняемыми.

Сама операционная система на процессоре хранится в энергонезависимой системной памяти, называемой «прошивкой». Для изменения прошивки необходимо использовать программу или «прошивальщик» для ее загрузки, обычно входящий в ПО для программирования.

Модули ввода/вывода, связи и другие модули также часто имеют встроенное ПО. Инструменты обновления встроенного ПО также могут обновлять и модули, а сами прошивки обычно доступны на веб-сайте производителя. Необходимо иметь программное обеспечение, которое не менее актуально, чем устанавливаемая прошивка.

Оперативная часть памяти в ПЛК может быть разделена на две основные области: память программ и память данных.

Память программ состоит из всех списков инструкций и программного кода. Это то, что отправляется в процессор. Процесс отправки программных инструкций в большинстве ПЛК называется «загрузкой» («download»).

Память данных включает таблицы входных и выходных изображений, а также числовые и логические значения данных. Большая часть данных, используемых в программе ПЛК, находится во внутренней памяти и не связана напрямую с вводом/выводом.

Во время выполнения программы она отслеживает, включены или выключены биты (BOOLS), а также числовые значения в памяти данных. На разных платформах используются разные способы организации этих данных.

Входы и выходы ПЛК (I/O)

Физические вводы/выводы могут быть дискретными, которые либо включены, либо выключены, или аналоговыми сигналами, которые изменяют амплитуду напряжения или тока.

На рисунке 3 показан цифровой (дискретный) сигнал. Типичные уровни сигналов для дискретных входов и выходов составляют 24 В постоянного тока и 120 В переменного тока, но могут быть и другие уровни в зависимости от типа устройства или карты ввода. Помимо обозначения единицы и нуля или включения и выключения, дискретные сигналы могут описываться как истинные или ложные. На рисунке 4 показаны устройства дискретного ввода/вывода.

Аналоговые сигналы (рисунок 5) различаются либо по напряжению, либо по току. Диапазоны обычно составляют от 0 до 10 В или от -10 до +10 В постоянного тока или от 0 до 20 мА или от 4 до 20 мА. Электрический сигнал затем преобразуется в число для использования в программе ПЛК. Аналоговые устройства ввода/вывода показаны на рисунке 6.

Методы связи ПЛК

Как упоминалось ранее, существует множество методов для связи с ПЛК и их устройствами. Последовательная связь, Ethernet и различные протоколы полевых шин (fieldbus) – это лишь некоторые из них.

Обратите внимание (Таблица 1), что некоторые из этих протоколов одинаковы для разных производителей, но даже в этом случае они могут не взаимодействовать должным образом без изменения параметров. Последовательный порт и Ethernet являются двумя наиболее распространенными способами подключения к ПЛК, а протоколы полевых шин обычно используются для связи с удаленными или распределенными устройствами ввода/вывода. Ethernet используется для программирования ПЛК и для распределенных устройств, но важно, чтобы связь ввода/вывода была заранее определена.

Данные ПЛК

В зависимости от платформы ПЛК обрабатывают данные по-разному. Старые ПЛК обычно работали либо на основе байтов, либо слов или целых чисел. Это оказало большое влияние на то, как хранилась и использовалась память. Некоторые ПЛК имеют регистры, назначенные для определенных типов данных, то есть битовых, целых или вещественных, тогда как другие бренды могут разделять данные в зависимости от того, являются ли они сохраняемыми или размещают все данные вместе.

При изучении платформы программирования нового ПЛК важно сначала понять, как организована его память. Например, в некоторых старых ПЛК память данных и ввод/вывод занимают одно и то же пространство. Может возникнуть довольно неприятная ситуация, если вы заставите приводы двигаться, намереваясь просто сохранить целое число в регистре.

В Таблице 2 показано расположение областей памяти нескольких ПЛК. Первый список - семейства SLC и MicroLogix Allen-Bradley, показывает, что данные разделены на пронумерованные файлы O0, I1, S2…F8. Каждый файл данных можно расширить до 255 слов, но после этого необходимо добавить новые номера файлов, например, N9, B10 и т.д.

В следующей таблице показан Siemens S7. Ввод/вывод назначается во время конфигурации оборудования, а не по номеру слота, как в случае с Allen-Bradley. Общая область памяти «М» имеет фиксированный размер, тогда как блоки памяти или блоки данных (DB) содержат разные типы данных и могут иметь размер до 64 КБ.

Адресация ввода/вывода варьируется от бренда к бренду (Таблица 3). Входы могут быть адресованы как I или X, выходы – как O, Q или Y, а обозначения аналоговых входов/выходов могут использовать совершенно другой формат, чем цифровые. Некоторые бренды обозначают ввод/вывод на основе номера слота, которому назначается карта при настройке оборудования и это невозможно изменить. На других платформах, есть местоположение по умолчанию, где входы/выходы назначаются во время конфигурации, но это может быть изменено программистом. Адресация также может быть восьмеричной, десятичной или даже шестнадцатеричной.

Просмотр типов данных: программное обеспечение ПЛК позволяет пользователю просматривать числа во многих перечисленных здесь форматах, устраняя необходимость в калькуляторе. Не всегда может быть понятно, в каком формате просматриваются данные, но часто присутствуют обозначения. Могут использоваться целое число со знаком (десятичное или по основанию 10) и не иметь указателя. Однако шестнадцатеричное число будет иметь префикс W#16, указывающий на основание 16. REAL будет иметь десятичную точку или выражаться экспонентой, тогда как двоичное представление может иметь префикс или выглядеть как строка из единиц и нулей.

Точечные поля и разделители. если обозначен один бит целого числа, его можно отобразить с помощью разделителя, например, косой чертой или точкой (N7:5/3 или Q3.2). Поля с точками также часто используются для обозначения элемента сложного типа данных, например, таймера (Timer1.ACC обозначает накопленное значение Таймера №1). Перед запуском программы важно понять, как память адресуется для вашего конкретного ПЛК.

Теги. многие современные платформы ПЛК вообще не используют регистры числовых данных. Вместо этого они позволяют пользователям создавать объекты памяти по мере необходимости в виде текстовых строк. Большинство крупных производителей создают ПЛК с данными на основе тегов. На некоторых платформах теги также называются символами (Symbols), но символ не обязательно является тегом – это может быть просто мнемонический адрес или ярлык для адреса регистра. Имена тэгов загружаются в ПЛК и используются вместо адреса.

Теги обычно создаются в таблице данных по мере необходимости. Вместо числовых адресов, таких как «B3:6/4» или «DB2.DBW14», в качестве ячеек памяти создаются символические имена, такие как «InfeedConv_Start_PB» или «Drive1402.ActualSpeed». При создании тегов необходимо выбрать такие детали, как тип данных (BOOL, Таймер, REAL) и стиль отображения (шестнадцатеричный, десятичный).

Преимущество тегов состоит в том, что они более информативны, чем числовые номера регистров. Кроме того, описания и символы из адресов регистров присутствуют только в компьютере и не загружаются в ПЛК. Программу на основе тегов обычно можно загрузить прямо из ПЛК, поскольку адрес является фактическим местоположением регистра.

Кроме того, те же теги из программы ПЛК можно напрямую использовать в программе человеко-машинного интерфейса (HMI) или диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Это экономит время и избавляет от необходимости сопоставлять адреса ПЛК с тегами HMI. Конечно, адреса ввода/вывода по-прежнему создаются на основе аппаратной конфигурации ПЛК, но производители создали различные способы соединения адресов ввода/вывода с помощью тегов. Один из самых удобных вариантов - платформа ControlLogix, где любой тег или адрес может быть "привязан" к любому другому, и оба отображаются в лестничной логике (Рисунок 7).

Группы данных. в дополнение к «атомарным» или элементарным типам данных, таким как BOOL, Byte, Integer или REAL, описанных в разделе «Данные», можно группировать отдельные элементы в общую структуру.

Массив. массив – это группа схожих типов данных. Например, можно определить массив, содержащий 10 Integer или 50 REAL, или 32 BOOL значений. Типы данных нельзя смешивать в массиве. Сложные типы данных, такие как таймеры, счетчики или пользовательские типы данных (UDT), также могут быть помещены в массив. Обычно массив отображается в квадратных скобках, например, Delay_Tmr[6]. Это обозначает 7-й элемент массива, если массив начинается с 0.

Некоторые платформы позволяют определять многомерные массивы, например, Integer[2,4,5]. Это означает целое число в 5-м слое 4-й строки 2-го столбца.

Элементы, состоящие из более чем одного типа данных, называются структурами. Структура может быть определена программным обеспечением, например, инструкциями или программистом.

Пользовательские типы (UDT). UDT – это группа различных типов данных или структура, например, таймеры и счетчики состоят из двух целых или двойных целых чисел и нескольких битов, объединенных в структурированный тип данных, называемый «таймер» или «счетчик».

UDT можно использовать только с символами или тегами, потому, что UDT не является данными. После определения UDT необходимо создать тег или символ с использованием нового типа данных.

Распространенной причиной создания UDT является описание объекта, более сложного, чем простой элемент данных. Например, преобразователь частоты имеет множество фрагментов данных, которые могут быть связаны с ним. К примеру, двигатель должен запускаться и останавливаться, он имеет различные числовые параметры для описания своего движения, такие как заданная скорость, фактическая скорость, ускорение и замедление. Мы также можем захотеть узнать его статус: произошел ли сбой, и если да, то какой был тип неисправности.

Слева находится пользовательский тип с именем «Drive», определенный в программном обеспечении, а справа – тег «Drive_5207», созданный на основе пользовательского типа (Таблица 4). Определение не загружается в процессор – его можно изменить только на программирующем устройстве.

Вложенные элементы тега представляют собой пример точечных полей, описанных ранее. Создав UDT, в программу можно добавить множество приводов без лишнего ввода текста. UDT являются важным элементом быстрой разработки кода.

В системах, не основанных на тегах, UDT могут вызвать проблемы, если прокомментированная программа недоступна. Помните: описания и символы без тегов не сохраняются в процессоре. Вот почему трудно восстановить программу Siemens S7, если у вас нет исходного кода – загруженные блоки данных не содержат названий элементов.

ПО автоматизации и конфигурация ПЛК

Первым шагом в запуске новой программы ПЛК является настройка аппаратного обеспечения. Это связано с тем, что разные процессоры имеют разный объем памяти, а адреса ввода/вывода определяются конфигурацией. По мере добавления модулей генерируются новые адреса или теги, которые доступны для выбора в программе. Вы не сможете написать программу, пока не будете знать адреса ввода/вывода и конфигурацию памяти.

Некоторые платформы назначают адреса ввода/вывода по местоположению в стойке (номеру слота), в то время как другие позволяют программисту назначать адреса. Обычно указывается адрес по умолчанию, который можно изменить в свойствах карты, что отображено на рисунке 8. Распределение памяти некоторых производителей может перекрывать область ввода/вывода, поэтому важна тщательная настройка и планирование. Выбор оборудования часто также включает ввод номера оборудования или прошивки для каждого модуля. Если используется стойка (шасси), перед вставкой модуля необходимо выбрать ее размер.

В зависимости от платформы следующим шагом настройки новой программы является настройка областей данных. Новые системы на основе тегов позволяют добавлять теги по одному либо локально, либо глобально, но многие старые платформы требуют, чтобы размер таблицы данных создавался в автономном режиме.

Комментарий МЗТА

• В статье говорится, что в ПЛК используется сочетание энергозависимой и энергонезависимой памяти, поэтому для хранения данных требуется резервная батарея. Но сейчас имеются решения, не требующие резервного питания, но и не приводящие к потере информации при отключении питания ПЛК.

• Каждая платформа ПЛК организуют данные по-разному, что влияет на использование памяти и методы адресации. Контроллеры МЗТА используют стандартную для контроллеров на базе Codesys 3.5 организацию: сочетание энергозависимой и энергонезависимой памяти и символьную адресацию.