Публикации

Сетевой контроллер СИКОН

Сетевые индустриальные контроллеры СИКОН представляют собой набор аппаратных и программных средств, увязанных в единый комплекс с помощью локальной промышленной сети (ЛПС).

Распределенный сетевой комплекс предназначен для автоматического управления технологическими процессами по заданным алгоритмам, а также отображения информации о текущем состоянии процесса управления и работоспособности оборудования.

Сетевой комплекс на базе контроллеров СИКОН 166 — это конкурентоспособная система промышленной автоматики, рассчитанная на эксплуатацию в тяжелых и экстремальных условиях.В основу СИКОН положены современная элементная база, базирующаяся на микроконтроллерах SAB80C166, SAB-C165, -C167 германской фирмы Siemens [1], и ЛПС ProfiBus, принятой в качестве Европейского стандарта для промышленных сетей. В состав СИКОН входят:

• контроллеры СИКОН 166.20 и СИКОН С1;
• аппаратно-программная поддержка сети ProfiBus;
• операционная система реального времени ОС 166;
• программная поддержка плавающей точки ПЛТ;
• тестовое обеспечение ТО 166;
• инструментальная система АПО 166.

Сетевые индустриальные контроллеры СИКОН 166 представляют собой семейство контроллеров, реализуемых на 16-разрядном однокристальном микроконтроллере SAB80C166, выпущенном в 1992 г. фирмой Siemens и имеющем следующие характеристики:

• 1,2-микронную КМОП-технологию с малой потребляемой мощностью (200 мА);
• тактовую частоту 20 МГц;
• разрядность микроконтроллера 16 бит;
• время выполнения любой команды 100 нс, за исключением команд умножения и деления;
• время выполнения команды умножения 500 нс, деления — 1000 нс;
• интегральную (внутри кристалла) память: ОЗУ объемом 1К байт (512x16 бит), регистры общего и специального назначения 512 байт;
• линейную адресацию памяти до 256К байт;
• пять таймеров общего назначения и один сторожевой таймер;
• 16-уровневую систему прерывания;
• 76 линий ввода-вывода общего назначения;
• 10-канальный 10-разрядный АЦП с временем преобразования 9,75 мкс;
• 16-канальный блок захвата-сравнения;
• два последовательных канала (USART);
• восемь каналов прямого доступа;
• температурные диапазоны: 0…70, -40…+85 и -40…+110 ˚C.

Базируясь на архитектуре ЛПС ProfiBus СИКОН 166, дает значительное расширение функциональных возможностей и реализуемых структур. Как сетевой узел контроллер обеспечивает возможность функционирования совместно с другими контроллерами СИКОН 166, а также с любыми другими устройствами, поддерживающими сеть ProfiBus.

Все контроллеры семейства СИКОН 166 имеют:

• 256К байт памяти (ОЗУ, ПЗУ и флэш в любом сочетании);
• микроконтроллер SAB80C166;
• две шины ProfiBus.

СИКОН 166.20 применяется в качестве встроенного в ПЭВМ типа PC микропроцессорного устройства управления. В составе контроллера имеются пять 16-разрядных таймеров и сторожевой таймер.

Контроллер обеспечивает:

• прием 10 мультиплексированных каналов напряжением 0…5 В с временем преобразования 9,75 мкс;
• прием по 16 каналам дискретного ввода-вывода пассивных дискретных; инициативных; частотных и числоимпульсных сигналов, а также выдачу пассивных дискретных; частотных сигналов и сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ);
• выдачу или прием по дополнительным 16 каналам пассивных дискретных сигналов;
• программную настройку входов-выходов на типы сигналов.

Кроме того, контроллер обеспечивает выход ПЭВМ в сеть ProfiBus.

Контроллер выполнен на стандартной плате IBM PC и осуществляет первичную обработку информации об объекте и ввод ее в ПЭВМ.

Контроллер СИКОН С1 (см. первую страницу обложки) предназначен для сбора, обработки, хранения, отображения и передачи информации об электропотреблении объектов. Его можно устанавливать на подстанциях, электростанциях, промышленных предприятиях и в учреждениях для работы как в составе автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии, так и в локальном режиме. Гибкое программное обеспечение и оригинальные инженерные решения позволяют использовать контроллер и в других отраслях промышленности и народного хозяйства.

Конструктивно контроллер состоит из трех функционально законченных блоков: моноблока СИКОН 166.К1, кроссового блока БКр1 и пульта оператора ПО. Моноблок используется как узел сбора и обработки информации в распределенной системе управления технологическими процессами.

К1, К2, …, К127 — системы СИКОН С1; УСД — устройства Е441, Е441М, Е443; П — принтер; АТС — абонентская телефонная сеть; I — 64 счетчика электроэнергии; II — 16 счетчиков расхода воды, пара, газа; III — 8 линий ввода-вывода дискретных сигналов.

Питание контроллера осуществляется от сети напряжением 220 В. Предусмотрено автоматическое переключение питания на резервное (+12 В).

Моноблок включает в себя контроллер СИКОН 166.30, выполненный на базе микроконтроллера SAB80C166, 256К байт памяти (ОЗУ, ПЗУ или флэш в любом сочетании), две шины ProfiBus, вторичные источники питания и обеспечивает:

• прием по 16 каналам дискретного ввода-вывода пассивных дискретных; частотных; числоимпульсных сигналов, а также выдачу пассивных дискретных; частотных сигналов и сигналов ШИМ;
• выдачу-прием по дополнительным 16 каналам дискретных сигналов;
• программную настройку входов-выходов на типы сигналов;
• работу пяти 16-разрядных таймеров и сторожевого таймера;
• выработку астрономического времени и календаря;
• корректировку астрономического времени по сигналам точного времени от радиосети;
• обмен информацией по двум каналам ИРПС, токовая петля 20 мА;
• обмен информацией по выделенному каналу связи и по коммутируемому каналу;
• самотестирование по включению питания и запросу оператора.

Модем осуществляет связь с коммутируемым каналом.

Первичный источник питания выпрямляет напряжение сети (220 В) для питания контроллера СИКОН 166.30, модема и кроссового блока, а также переключает напряжение питания на резервное (+12 В).

Кроссовый блок БКр1 (см. рисунок) выполнен на базе коммутационных модулей фирмы WAGO Германия и предназначен для гальванического разделения и согласования уровней сигналов с датчиков и объектов и подключения датчиков. Конфигурация кроссового блока легко изменяется в зависимости от числа датчиков и характера объектов.

Пульт оператора служит для ввода и отображения необходимой информации и может не применяться в комплекте контроллера, если последний устанавливается на необслуживаемом объекте.

Базовая модель обеспечивает:

• прием, обработку и хранение информации об энергопотреблении с 64 датчиков;
• прием и обработку унифицированных токовых сигналов (0…5, 4…20 мА) по 16 каналам, а также дискретных сигналов по четырем каналам;
• вывод четырех управляющих сигналов;
• передачу информации для отображения по запросу оператора и инициативе (аварийная сигнализация, сигнализация о выходе параметра за уставку);
• обмен информацией по интерфейсу ИРПС (два канала), в том числе для подключения устройств сбора данных;
• обмен информацией по коммутируемому каналу, а также по выделенному надтональному каналу телемеханики;
• поддержку сетевой архитектуры ProfiBus для Л ПС с возможностью подключения до 127 абонентов;
• контроль работоспособности каналов связи;
• работу и коррекцию реального времени по сигналам точного времени.

Контроллер обеспечивает сохранность всех имеющихся в памяти данных и непрерывную работу встроенных часов при отключении всех питающих напряжений на время до 1000 ч.

Условия эксплуатации:

• круглосуточный режим работы;
• температура окружающей среды —10…+50 °С;
• относительная влажность 80 % при температуре 25 °С.

Локальная сеть ProfiBus используется в качестве средства коммуникации между всеми компонентами сетевого комплекса; она имеет:

• физический интерфейс типа EIA RS485;
• средства передачи — экранированную витую пару с сечением проводника 0,22 мм и волновым сопротивлением 100…120 Ом;
• топологию — физическую линию, логическое кольцо;
• типы узлов (абонентов) — активные, пассивные и повторители;
• длину линии до 1,2 км без повторителей;
• скорость передачи — ступенчатую в зависимости от длины между двумя узлами; 9,6; 19,2; 90К бит/с — до 1,2 км; 187,5К бит/с — до 1000 м;
• до трех повторителей (один повторитель считается за два "прозрачных" узла);
• максимальную длину лини: до 4800 м с тремя повторителями; (при использовании линии с сечением проводника 0,5 мм возможно двукратное увеличение длины);
• максимальное число узлов до 127 (включая три повторителя), из которых 32 узла могут относиться к активным.

В сетевом комплексе обеспечивается полное резервирование на аппаратном и программном уровнях.

Операционная система реального времени ОС 166 позволяет одновременно выполнять до 12 независимых задач. Предоставляемый сервис — служба времени, создание и удаление задач, обмен сообщениями между задачами и др.

Единицей планируемой работы в операционной системе является задача. Каждая задача определяется совокупностью контекстов аппаратных средств и программного обеспечения. Информация о каждой задаче хранится в нескольких структурных данных, расположенных в RAM-памяти микроконтроллера.

Система обеспечивает приоритетное управление выполнением задач процессора, осуществляет их взаимодействие между собой и с другими задачами посредством обмена сообщениями.

Сетевой пакет NET 166 — одна из задач ОС 166, которая реализует обмен информацией в сети ProfiBus в соответствии с Европейским стандартом по промышленным сетям.

Программа поддержки плавающей точки (ПЛТ) выполняет следующие операции:

• сложение, вычитание, умножение и деление двух чисел, представленных в формате IEEE Standard Single Precision;
• перевод числа из формата целевых 32-разрядных чисел в формат IEEE Standard Single Precision и обратно;
• перевод числа из формата IEEE Standard Single Precision в формат энергетиков и обратно;
• перевод десятичных чисел, представленных в коде ASCII, в формат IEEE Standard Single Precision и обратно;
• перевод формата энергетиков в нестандартное трехбайтовое представление чисел с плавающей точкой.

Тест самодиагностики SELF 166 проверяет общую работоспособность контроллера СИКОН 166 и определяет конфигурацию системы.

Тестовая система TEST 166 должна обеспечивать тестирование как процессорного ядра контроллера, так и подключаемых к нему модулей ввода-вывода сигналов (аналоговых, дискретных, числоимпульсных и ШИМ и др.). С помощью тестовых программ периодически проводится текущий контроль работоспособности отдельных узлов и комплекса в целом.

Средством разработки аппаратного и программного обеспечения систем на базе SAB80C166 является аппаратно-программный отладчик АПО 166. Он состоит из модуля порта ввода-вывода, согласующего кабеля, модуля связи с объектом, интегрированной отладочной среды TD 166.Модуль ввода-вывода устанавливается в любое свободное посадочное место ПЭВМ. Согласующий кабель связывает модуль порта ввода-вывода и модуль связи с объектом.

Модуль связи с объектом включает в себя микроконтроллер SAB80C166, оперативную память на 256К байт с возможностью доступа к ней со стороны ПЭВМ, последовательные интерфейсы RS-485 и RS-232, 10 каналов связи со встроенным в SAB80C166 АЦП, 16 дискретных каналов ввода-вывода с возможностью приема и выдачи частотных сигналов и сигналов ШИМ, 16 дискретных каналов ввода-вывода, пять вводов и два вывода для работы с пятью 16-разрядными таймерами-счетчиками; сюда же входит системная шина микроконтроллера для подключения дополнительных периферийных устройств.

Интегрированная отладочная среда представляет собой выполненную в стиле языка ТУРБО СИ программу TD 166.ЕХЕ. Она позволяет транслировать программы, написанные на оригинальном языке МАКРОАССЕМБЛЕР - TASM 166, создавать листинги трансляции, быстро и просто исправлять ошибки трансляции, загружать программные коды в память модуля связи с объектом, устанавливать точки останова, выдавать на экран текст программы с символическими именами и поддерживает различные виды пошаговых режимов.

Вывод

Сетевые контроллеры СИКОН способны выдержать в России конкуренцию с продукцией ведущих зарубежных фирм по следующим причинам:

• разработка выполняется на передовой элементной базе;
• архитектура соответствует современным требованиям к сложным системам промышленной автоматики;
• технология производства обеспечивает высокую надежность изготовляемых средств при сравнительно низкой стоимости.

Работа выполнена в ИНЭУМ (Москва) совместно с фирмой "Системы и технологии" (г. Владимир). Контактные телефоны: (095) 482-08-13; 135-35-91; (09-22-2) 2-09-40.

Факсы: (095) 939-50-02; (09-22-2) 2-66-07.

Список литературы

1. SAB80C166/83C166 16-bit CMOS Single-Chip-Microcontrollers for Embedded Control Applications. User's Manual. Siemens.
2. Ахметов P.P, Бакин А.Д., Кабанов Н.Д. Однокристальные промышленные контроллеры // Мир ПК. 1993. № 10.

Ахметов Р., Кабанов Н., Сатов В.
ISSN 0032-8154. Приборы и системы управления, 1995. № 5
УДК 681.3:62.52