комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления

Классы МПК:G05B19/418 общее управление технологическим процессом, те централизованное управление множеством станков, например непосредственное или распределенное числовое управление (DNC), гибкое автоматизированное производство (FMS), интегрированные производственные системы (IMS), автоматизированные интегрированные производства (CIM)
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Открытое акционерное общество "Московский завод тепловой автоматики" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2007-03-19
публикация патента:

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Технический результат заключается в возможности снятия ограничений по числу модулей ввода/вывода и процессорных модулей, а также в соединении каждого процессорного модуля и модуля ввода/вывода через общую шину данных с устройствами, относящимися не только к данному контроллеру. Он достигается за счет того, что комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления технологическими процессами включает общую шину данных и, по меньшей мере, один контроллер, содержащий модули ввода/вывода для ввода и обработки сигналов от датчиков и вывода сигналов управления исполнительными механизмами, и процессорные модули для управления модулями ввода/вывода и исполнительными механизмам посредством модулей ввода/вывода, при этом модули ввода/вывода и процессорные модули подключены к общей шине данных, совмещающей в себе функции системных шин контроллеров, полевых шин и локальной сети, с возможностью образования единой сети устройств и формирования ими запросов к любому из указанных устройств и ответов на адресованные им запросы, что реализует доступ к данным каждого из устройств как со стороны устройств, входящих в тот же контроллер, так и со стороны внешних устройств, в том числе входящих в другие контроллеры, и доступ устройств каждого контроллера к данным внешних устройств, в том числе входящих в другие контроллеры. 13 з.п. ф-лы, 2 ил. комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля   и управления, патент № 2349949

комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля   и управления, патент № 2349949 комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля   и управления, патент № 2349949

Формула изобретения

1. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления, включающий общую шину данных и, по меньшей мере, один контроллер, содержащий модули ввода/вывода, для ввода и обработки сигналов от датчиков и вывода сигналов управления исполнительными механизмами, и процессорные модули для управления модулями ввода/вывода и исполнительными механизмами посредством модулей ввода/вывода, отличающийся тем, что модули ввода/вывода и процессорные модули подключены к общей шине данных, совмещающей в себе функции системных шин контроллеров, полевых шин и локальной сети, с возможностью образования единой сети устройств и формирования ими запросов к любому из указанных устройств и ответов на адресованные им запросы, что реализует доступ к данным каждого из устройств, как со стороны устройств, входящих в тот же контроллер, так и со стороны внешних устройств, в том числе входящих в другие контроллеры, и доступ устройств каждого контроллера к данным внешних устройств, в том числе входящих в другие контроллеры.

2. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит модули управления, подключенные к общей шине данных, комбинирующие в себе функции модулей ввода/вывода и процессорных модулей, и/или датчики и/или исполнительные механизмы, подключенные к общей шине данных.

3. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1 или 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рабочие станции и/или серверы, подключенные к общей шине данных для визуализации, архивирования и документирования данных, получаемых от модулей ввода/вывода, процессорных модулей и модулей управления, подключенных к общей шине данных, сигнализации, оперативного и автоматического управления технологическим процессом, программирования и обслуживания всех входящих в систему устройств и реализуемых ею функций, и/или операторские панели, подключенные к общей шине данных, и/или дополнительные процессорные модули.

4. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1 или 2, отличающийся тем, что общая шина данных выполнена на базе Ethernet, или Arcnet, или Talking-ring.

5. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1 или 2, отличающийся тем, что модули ввода/вывода и модули управления вынесены из контроллера и приближены к объекту управления.

6. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1 или 2, отличающийся тем, что модули ввода/вывода, и/или процессорные модули и/или модули управления объединяются в общие корпуса, или крейты, или каркасы, или шасси, или шкафы, и/или защитные оболочки, обеспечивающие их общее электропитание, единую систему клемм, теплоотвода и защиты от влияния внешней среды.

7. Комплекс программно-аппраратных средств по п.3, отличающийся тем, что общая шина данных выполнена на базе Ethernet, или Arcnet, или Talking-ring.

8. Комплекс программно-аппраратных средств по п.4, отличающийся тем, что общая шина данных выполнена на базе различных физических сред передачи данных: коаксиальный кабель, и/или витая пара, и/или оптическая кабельная система, и/или беспроводная реализация на основе радио.

9. Комплекс программно-аппраратных средств по п.7, отличающийся тем, что общая шина данных выполнена на базе различных физических сред передачи данных: коаксиальный кабель, и/или витая пара, и/или оптическая кабельная система, и/или беспроводная реализация на основе радио.

10. Комплекс программно-аппраратных средств по п.8 или 9, отличающийся тем, что общая шина данных содержит устройства, обеспечивающие ее работу, такие как, например: усилители, и/или согласователи, и/или коммутаторы, и/или размножители, и/или переходники с одной физической реализации на другую.

11. Комплекс программно-аппраратных средств по п.8 или 9, отличающийся тем, что общая шина данных содержит устройства, реализующие ее сегментирование посредством ограничения передачи большей части данных в рамках выделенных сегментов, не препятствуя при этом обмену данными между элементами разных сегментов.

12. Комплекс программно-аппраратных средств по п.8 или 9, отличающийся тем, что общая шина данных выполнена резервированной с неограниченной кратностью с использованием различных физических носителей и методов.

13. Комплекс программно-аппраратных средств по п.1 или 2, отличающийся тем, что единый набор транспортных и логических протоколов включает в себя протокол TCP/IP, и/или UDP/IP, и/или MODBUS, и/или BACnet.

14. Комплекс программно-аппраратных средств по п.3, отличающийся тем, что единый набор транспортных и логических протоколов включает в себя протокол TCP/IP, и/или UDP/IP, и/или MODBUS, и/или BACnet.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах автоматизированного контроля и управления сложным технологическим объектом, и/или зданием, и/или группой территориально разделенных объектов с использованием средств автоматического управления.

Автоматически работающие, содержащие множество частей, крупные промышленные объекты имеют множество подлежащих взаимному управлению и регулированию отдельных функций, которые контролируются, управляются и регулируются с помощью автоматизированных систем управления. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическим процессом предприятия содержит объединенные рабочие станции и серверы на базе персональных электронных вычислительных машин, контроллеры и функциональные модули.

Известны системы автоматического управления, содержащие общую автоматизированную систему управления с приборами автоматики, соединенные между собой, по меньшей мере, через одну линию передачи данных, и местный блок передачи данных (процессорный модуль), который через элемент связи подсоединен к шине данных (см. патент РФ № 2096817, кл. G05B 19/05, опубл. 20.11.1997 г.).

Недостатком таких систем можно назвать отсутствие автономной работы процессорных модулей и модулей управления, соединенных между собой через одну линию передачи данных и через местный блок передачи данных. Процессорный модуль при таком соединении обрабатывает все сигналы, поступающие на модуль управления, что приводит к высокой загрузке процессорного модуля.

Наиболее близким аналогом заявляемому решению можно признать комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления технологическими процессами, включающий общую шину данных (ОШД) и, по меньшей мере, один контроллер, содержащий модули ввода/вывода, для ввода и обработки сигналов от датчиков и вывода сигналов управления исполнительными механизмами, и процессорные модули (ПМ) для управления модулями ввода/вывода и исполнительными механизмами посредством модулей ввода/вывода, при этом модули ввода/вывода и процессорные модули соединены системной шиной VME-bus (см. патент РФ № 2279117, кл. G05В 19/418, опубл. 20.11.1997 г.).

В качестве недостатков известного комплекса программно-аппаратных средств можно назвать ограниченное число модулей ввода/вывода и процессорных модулей в рамках одного контроллера, при этом процессорный модуль контроллера вынужден обрабатывать все сигналы, которые имеются на входах соответствующего ему контроллера, а каждый контроллер может получить информацию с другого контроллера только через его процессорный модуль. Кроме того, соединение устройств комплекса происходит через разные шины, что приводит к увеличению числа обслуживающих устройств и трудностям при обращениях к устройствам.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание распределенной и одновременно сквозной системы контроля и управления на базе единой системной шины контроллера.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности снятия ограничений по числу модулей ввода/вывода и процессорных модулей, выполняющих собственную задачу и полностью или частично резервирующих работу других модулей, а также в соединении каждого процессорного модуля и модуля ввода/вывода через общую шину данных с устройствами, относящимися не только к данному контроллеру, и обеспечении доступа через общую шину данных к каждому модулю ввода/вывода со стороны устройств, не входящих в состав данного контроллера, без использования процессорных модулей данного контроллера, что приводит к увеличению надежности всей системы и позволяет легко масштабировать задачу управления.

Указанный технический результат достигается за счет того, что комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления технологическими процессами, включающий общую шину данных (ОШД) и, по меньшей мере, один контроллер, содержащий модули ввода/вывода для ввода и обработки сигналов от датчиков и вывода сигналов управления исполнительными механизмами, и процессорные модули (ПМ) для управления модулями ввода/вывода и исполнительными механизмами посредством модулей ввода/вывода, при этом модули ввода/вывода и процессорные модули подключены к общей шине данных с использованием единого набора транспортных и логических протоколов с возможностью образования единой сети устройств и формирования запросов к любому из указанных устройств и ответов на адресованные им запросы.

А также тем, что он дополнительно содержит модули управления, комбинирующие в себе функции модулей ввода/вывода и процессорных модулей.

А также тем, что он дополнительно содержит интеллектуальные датчики и интеллектуальные исполнительные механизмы, подключенные к общей шине данных.

А также тем, что он дополнительно содержит рабочие станции и/или серверы, подключенные к общей шине данных для визуализации, архивирования и документирования данных, получаемых от модулей ввода/вывода, процессорных модулей и модулей управления, подключенных к общей шине данных, сигнализации, оперативного и автоматического управления технологическим процессом, программирования и обслуживания всех входящих в систему устройств и реализуемых ею функций.

А также того, что он дополнительно содержит операторские панели, подключенные к общей шине данных.

А также тем, что он содержит дополнительные процессорные модули.

А также тем, что модули ввода/вывода и модули управления вынесены из контроллера и приближены к объекту управления.

А также тем, что модули ввода/вывода, и/или процессорные модули, и/или модули управления объединяются в общие корпуса, или крейты, или каркасы, или шасси, или шкафы, и/или защитные оболочки, обеспечивающие их общее электропитание, единую систему клемм, теплоотвода и защиты от влияния внешней среды.

А также того, что общая шина данных выполнена на базе Ethernet, или Arcnet, или Talking-ring.

А также того, что общая шина данных выполнена на базе различных физических сред передачи данных: коаксиальный кабель, и/или витая пара, и/или оптическая кабельная система, и/или беспроводная реализация на основе радио.

А также того, что общая шина данных содержит устройства: усилители, и/или согласователи, и/или переходники с одной физической реализации на другую.

А также тем, что общая шина данных содержит устройства, реализующие ее сегментирование посредством ограничения передачи большей части данных в рамках выделенных сегментов, не препятствуя при этом обмену данными между элементами разных сегментов.

А также тем, что общая шина данных выполнена резервированной с использованием различных физических носителей и методов с неограниченной кратностью.

А также тем, что единый набор транспортных и логических протоколов включает в себя протокол TCP/IP, и/или UDP/IP, и/или MODBUS, и/или BACnet.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема функционирования распределенного контроллера; на фиг.2 показана схема системы управления технологической установкой.

Автоматизированная система контроля и управления на базе комплекса программно-аппаратных средств автоматизации в общем случае состоит из общей шины данных 1 (ОШД) и, по меньшей мере, одного контроллера 11, содержащего модули ввода/вывода 3 (УСО) для ввода и обработки сигналов от датчиков и вывода сигналов управления исполнительными механизмами, и процессорные модули 2 (ПМ) для управления модулями ввода/вывода 3 и исполнительными механизмами посредством модулей ввода/вывода 3 (УСО). В основу создания комплекса положена идея «открытого распределенного контроллера». Все элементы комплекса объединены одной независимой или любым способом с неограниченной кратностью, с использованием разных физических носителей и методов резервированной шиной данных 1. В качестве технологии реализации общей шины данных может использоваться Ethernet, или Arknet, или Talking-ring с использованием различных скоростей передачи данных и различных физических сред передачи данных, таких как коаксиальный кабель, витая пара, оптическая кабельная система, беспроводная реализация на основе радио. Она может также содержать вспомогательные устройства: усилители, согласователи, переходники с одной физической реализации на другую и любые другие устройства, обеспечивающие функционирование шины данных. Общая шина данных 1 может содержать устройства 10, реализующие ее сегментирование посредством ограничения передачи большей части данных в рамках выделенных сегментов, не препятствуя при этом обмену данными между элементами разных сегментов.

Модули ввода/вывода 3 (УСО) и процессорные модули 2 (ПМ) подключены к общей шине данных 1 с использованием единого набора транспортных и логических протоколов, с возможностью образования единой сети устройств и формирования запросов к любому из указанных устройств и ответов на адресованные им запросы. Единый набор транспортных и логических протоколов может включать в себя протокол TCP/IP, UDP/IP, MODBUS, BACnet.

Комплекс программно-аппраратных средств может включать модули управления 4, комбинирующие в себе функции модулей ввода/вывода 3 и процессорных модулей 2, а также рабочие станции 8, подключенные к общей шине данных 1 для визуализации, архивирования и документирования данных, получаемых от модулей ввода/вывода 3, процессорных модулей 2 и модулей управления 4 (подключенных к общей шине данных 1), сигнализации, оперативного и автоматического управления технологическим процессом, программирования и обслуживания всех входящих в систему устройств и реализуемых ею функций. Система может содержать операторские панели 7, также подключенные к общей шине данных 1, а также серверы данных 9 или дополнительные процессорные модули 2. Отдельные модули ввода/вывода 3 и модули управления 4 могут быть вынесены из контроллера 11 и приближены к объекту управления. Модули ввода/вывода 3, процессорные модули 2 и модули управления 4, входящие в систему, объединяются в общие элементы 12: корпуса, крейты, каркасы, шасси, шкафы, защитные оболочки, обеспечивающие их общее электропитание, единую систему клемм, теплоотвода и защиты от влияния внешней среды. Система может содержать также интеллектуальные датчики 5 и интеллектуальные исполнительные механизмы 6, подключенные к общей шине данных.

Управление процессом в предлагаемом решении на базе предлагаемого программно-аппаратного комплекса выглядит следующим образом. Сигналы от датчиков поступают на входы модулей ввода/вывода 3, и/или модулей управления 4, и/или непосредственно доступны через общую шину данных 1 при использовании интеллектуальных датчиков 5. Далее сигналы преобразуются перечисленными устройствами и становятся доступны через общую шину данных 1 любым устройствам, подсоединенным к ней. Процессорные модули 2 и/или модули управления 4 обрабатывают значения сигналов от датчиков, могут вести локальные архивы и на основании зашитых в них программ формируют значения управляющих сигналов, подключенных к выходам модулей ввода/вывода 3, и/или модулей управления 4, и/или команды для интеллектуальных исполнительных механизмов 6, подключенных к общей шине данных 1. Рабочие станции 8 и/или серверы 9 могут получать значения сигналов и/или содержимое локальных архивов от процессорных модулей 2 и/или модулей управления 4 и напрямую у модулей ввода/вывода 3, и/или интеллектуальных датчиков 5, и/или интеллектуальных исполнительных механизмов 6.

Возможность прямого запроса серверов 9 и рабочих станций 8 данных от модулей ввода/вывода 3, датчиков и исполнительных механизмов снимает часть нагрузки с процессорных модулей 2 контроллеров 11, поскольку у них нет необходимости выполнять соответствующие запросы, обрабатывать их, а затем отвечать на запросы рабочих станций. Это также сокращает общий объем передаваемой информации, поскольку запрос на данные выполняется только один раз. С другой стороны возможность получить доступ к любым устройствам, подключенным к общей шине данных 1, позволяет, не вмешиваясь в работающие процессы, используя имеющиеся устройства, расширить функции системы добавлением новых устройств. Кроме того, отсутствие ограничений на число процессорных модулей и свободный доступ ко всем устройствам системы позволяет гибко подойти к задачам повышения надежности системы. Это может достигаться как за счет обычного резервировании (дублирования, троирования и далее) процессорных модулей, так и за счет разнесения функций на несколько процессорных модулей и частичного функционального резервирования их, когда часть функций одного процессорного модуля может быть выполнена другим.

Перечисленные особенности системы с общей шиной данных приводят к увеличению надежности всей системы и позволяют легко масштабировать задачу управления.

Осуществление заявляемого открытого распределенного контроллера иллюстрируется не исчерпывающим примером работы системы управления (фиг.2) технологической установкой.

Технологическая установка состоит из трех участков: участок складирования и подготовки сырья, участок контактирования, например реактор, участок готового продукта и его складирования.

Система управления включает в себя две рабочие станции для операторов, ведущих технологический процесс (РС1 и РС2), и одну инженерную станцию, реализующую задачи программирования и обслуживания системы управления (РС3).

Каждый технологический участок управляется отдельным контроллером, состоящим из, по меньшей мере, двух крейтов с установленными в них резервированными процессорными модулями (ПМ) и модулями ввода/вывода (УСО), а также набора дополнительных, вынесенных ближе к технологическому оборудованию модулей ввода./вывода (УСО) и комбинированных модулей (МУ). Каждый крейт обеспечивает общее питание установленных в него модулей и подключение их к общей шине данных. Процессорные модули, управляющие каждым участком, взаимодействуют с относящимися к этому участку модулями ввода, вывода и комбинированными модулями, установленными в соответствующие крейты и вынесенными к технологическому оборудованию. Однако для ряда задач им требуются данные от модулей ввода/вывода других участков. За этими данными процессорные модули обращаются напрямую по общей шине данных, минуя обращение к процессорным модулям, реализующим управление соответствующим участком.

Кроме того, в системе присутствуют два резервированных процессорных модуля, выполняющих задачи оптимизации всего технологического процесса. Они установлены в отдельном крейте. Они обращаются за данными к модулям УСО, ПМ и УМ каждого контроллера, рассчитывают оптимальные параметры управления и передают в ПМ и УМ контроллеров соответствующие задания. В этом же крейте установлен еще один процессорный модуль, который может взять на себя управление любым из участков технологического процесса в случае отказа процессорных модулей, реализующих это управление штатно.

Рабочие станции взаимодействуют с процессорными модулями, управляющими технологическим процессом, запрашивая у них обработанные ими данные и передавая им команды управления и значения уставок. Однако часть данных, которые не участвуют непосредственно в управлении, но требуются для представления их оператору, рабочие станции запрашивают напрямую у модулей ввода/вывода или комбинированных модулей.

Общая шина разделена на четыре сегмента:

1) Сегмент устройств, обслуживающих первый технологический участок (первый контроллер с размещенными на объекте выносными модулями);

2) Сегмент устройств, обслуживающих второй технологический участок (второй контроллер с размещенными на объекте выносными модулями);

3) Сегмент устройств, обслуживающих третий технологический участок (третий контроллер с размещенными на объекте выносными модулями);

4) Сегмент устройств оперативного контура управления (рабочие станции операторов РС1 и РС2, инженерная станция РС3, процессорные модули, выполняющие оптимизацию и резервный процессорный модуль, вставленные в Крейт ПМ).

Все устройства каждого сегмента воспринимают все запросы, посылаемые в рамках данного сегмента, и реагируют на запросы, обращенные конкретно им. При этом для каждого устройства любого сегмента доступны для запроса все устройства системы управления.

Класс G05B19/418 общее управление технологическим процессом, те централизованное управление множеством станков, например непосредственное или распределенное числовое управление (DNC), гибкое автоматизированное производство (FMS), интегрированные производственные системы (IMS), автоматизированные интегрированные производства (CIM)

архитектура интегрированной системы упаковки -  патент 2495470 (10.10.2013)
конвертор протокола контроллера с программируемой логикой -  патент 2474860 (10.02.2013)
беспроводной полевой адаптер для технического обслуживания -  патент 2471221 (27.12.2012)
улучшенные форм-фактор и защита от электромагнитных помех для беспроводных адаптеров технологического устройства -  патент 2467373 (20.11.2012)
устройство и способ для управления и контроля устройств бытовой техники -  патент 2463636 (10.10.2012)
гибкая система производства формованных пищевых продуктов различных типов, в частности шоколадных и подобных им -  патент 2462874 (10.10.2012)
электронная система обмена данными -  патент 2451318 (20.05.2012)
способ выполнения изменения программы в режиме онлайн в системе автоматизации -  патент 2432604 (27.10.2011)
комплекс резервируемых программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления -  патент 2431174 (10.10.2011)
комплекс резервируемых программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления -  патент 2430400 (27.09.2011)