Канальность модуля ввода вывода
Модуль ввода/вывода также характеризуются канальностью – числом входов/выходов, а следовательно, и количеством сигнальных цепей, которые к нему можно подключить. Например, модуль AI4 – это четырехканальный модуль аналогового ввода. К нему можно подключить 4 датчика. DI16 – шестьнадцатиканальный модуль дискретного ввода. К нему можно подключить 16 статусных сигналов с какого-нибудь агрегата. В современных системах расположение модулей ввода/вывода на бейсплейте строго не регламентировано, и их можно устанавливать в произвольном порядке. Однако один или несколько слотов, как правило, зарезервированы под установку интерфейсного модуля. Иногда на бейсплейте возможна установка сразу двух интерфейсных модулей, работающих параллельно. Это делается для повышения отказоустойчивости системы ввода/вывода. Одним их жестких требований, предъявляемых к современным подсистемам ввода/вывода, – это возможность “горячей” замены модулей без отключения питания (функция hot swap). Коммуникация между контроллером и подсистемой ввода/вывода. Возможна благодаря интерфейсному модулю, поддерживающему один из принятых коммуникационных протоколов. Обмен данными осуществляется по специальным цифровым шинам, таким как: Profibus DP, Modbus RTU, Modbus +, CAN, DeviceNet, ControNet и т.д. Вообще, насчитывается более 50 стандартов промышленных шин. Коммуникационная шина работает по принципу ведущий-ведомый (master-slave). Только ведущее устройство на шине может инициировать обмен данными. Ведомые устройства пассивно прослушивают все данные, идущие по шине, и только в случае получения запроса от ведущего устройства отправляют обратно ответ. Каждое устройство на шине имеет свой уникальный сетевой адрес, необходимый для однозначной идентификации. Узлы ввода/вывода, как правило, являются ведомыми устройствами, в то время как контроллеры–ведущими. На рисунке показана цифровая шина, объединяющая один контроллер (в виде телевизора) и четыре узла ввода/вывода.
Шина ввода/вывода Разберем пример 1. Контроллер с адресом 1 хочет считать показание датчика давления в котле. Он знает, что этот датчик подключен к бейсплейту (узлу) с сетевым адресом 5, модулю AI в слоте 6, каналу (входу) 12. Он формирует запрос к ведомому устройству (узлу ввода/вывода) следующего содержания:
Узел 5, прослушивая все запросы на шине, узнает тот, что адресован ему. Он считывает показания датчика давления и формирует в ответ следующее сообщение:
Контроллер, получив ответ от ведомого устройства, сканирует поле “данные c датчика” и начинает математическую обработку. Пример 2. Пусть после обработки данных с датчика контроллер решил, что надо открыть выпускной клапан на 50%. Клапан подключен к узлу ввода/вывода 7, модулю AO в слоте 3, каналу 2. Контроллер формирует команду следующего содержания:
Узел 7, прослушивая шину, натыкается на команду, адресованную ему. Он записывает значение уставки 50% в регистр, соответствующий слоту 3, каналу 2. Сразу же модуль АО формирует на выходе 2 нужный электрический сигнал и выдает его клапану на исполнение. Далее узел 7 высылает обратно контроллеру подтверждение успешного выполнения команды.
Контроллер получает ответ от узла 7 и считает, что команда выполнена. Это всего лишь упрощенная схема взаимодействия контроллера с узлами ввода/вывода. В реальных АСУ ТП, наряду с рассмотренными выше, используется множество диагностических, управляющих и сервисных сообщений. Хотя сам принцип “запрос-ответ” (“команда-подтверждение”), реализованный в большинстве полевых протоколов, остается неизменным. До сих пор мы рассматривали узлы распределенного ввода/вывода, которые устанавливаются зачастую на большом расстоянии от центрального контроллера. В этом случае дистанционное взаимодействие осуществляется по цифровой шине в соответствие со схемой, описанной выше. Такое территориальное разделение ввода/вывода и управляющих устройств характерно для класса РСУ. Однако многие производители АСУ ТП поступают проще: вместо интерфейсного модуля устанавливают небольшой контроллерный модуль, который также снабжается сетевым интерфейсом. При этом узел распределенного ввода/вывода превращается в ПЛК с так называемым локальным вводом/выводом. Это уже не просто устройство связи с объектом управления, а полноценная система автоматизации, способная автономно выполнять многие задачи автоматического регулирования. Такие контроллеры “все в одном” характерны для систем класса PLC.