Архив / 1999 / №2(17) / На перекрестке мнений

Модули удаленного ввода-вывода серии I-7000

В конце 60-х – начале 70-х годов в сфере АСУ ТП сложилась концепция построения распределенных систем управления и сбора данных. Первые подобные системы состояли из основной вычислительной машины класса мэйнфрейм, нескольких пользовательских терминалов, подсистемы ввода-вывода, а также сети специализированных контроллеров и оконечных устройств. В совокупности все элементы подобной системы представляли довольно внушительное зрелище. Однако технология не стояла на месте. Современные распределенные системы строятся на основе или имеют в своем составе в качестве составной части PC-совместимый промышленный компьютер, недорогие локальные контроллеры и компактные интеллектуальные устройства связи с объектом. Последние выполняются, как правило, в виде отдельных автономных устройств или блоков. Их основное назначение – преобразование аналоговых и дискретных сигналов от первичных датчиков в цифровой сигнал, передаваемый в вычислительную систему, а также выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы.  Организация взаимодействия между устройствами в подобной системе строится на основе цифровой полевой шины, которая в большинстве случаев использует в качестве физического канала последовательный интерфейс RS-485 (реже RS-422). В результате отпала необходимость в прокладкебольшого числа соединительных проводов от первичных датчиков до центральной вычислительной системы, часто находящейся на значительном расстоянии. В целом преимущества подобного подхода состоят в возможности удаленного централизованного управления, ведения единой базы данных, а также надежности, гибкости и удобстве построения всей системы.

Сегодня при построении распределенной системы управления и сбора данных в качестве устройств связи с объектом очень часто используются модули удаленного ввода-вывода. Ниже мы остановимся на серии I-7000 подобных модулей тайваньской фирмы ICP DAS.

Серия I-7000 обеспечивает недорогое, гибкое и эффективное решение для самого широкого спектра индустриальных и лабораторных задач. Линейка выпускаемых продуктов включает в себя коммуникационные модули, модули аналогового ввода и аналогового вывода, дискретного ввода/вывода, таймеры/счетчики, модули РС-совместимых контроллеров.

Каждый модуль представляет собой функционально-законченное устройство, заключенное в пластмассовый корпус и оснащенное клеммными соединителями с винтовой фиксацией для подключения входных и выходных цепей. Установка модулей не требует специальных объединительных плат и может осуществляться как на стандартный несущий DIN-рельс, так и на любую плоскую панель или стенку.

Общие технические характеристики модулей серии I-7000:

–  модули объединяются в асинхронную полудуп-лексную двухпроводную сеть по стандарту RS-485,
–  максимальная длина сегмента сети без репитера (услителя-повторителя) - до1'200 метров;
–  скорость передачи данных = 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200  бод;
–  возможность объединения до 256 модулей в один сегмент без репитера (услителя-повторителя);
–  различные скорости и форматы передачи данных в одном сегменте сети, до 2048=256x8 модулей в системе,
–  формат данных = 10 бит=(1start+8data+1stop);
–  протокол передачи данных: ASCII символы;
–  возможность контроля четности при передаче данных;
–  встроенный фильтр помех;
–  напряжение изоляции входных цепей 3000 В;
–  питание от источника нестабилизированного постоянного тока напряжением от +10 В до +30 В;
–  защита по цепям питания от перенапряжения неправильной полярности подключения питания;
–  работоспособность в широком диапазоне температур от -200 до +700оС.

Схема взаимодействия основной вычислительной системы (для простоты изложения HOST-компьютер) с модулями, объединенными в одну сеть на основе RS-485, довольна проста. При этом порядок работы выглядит следующим образом:

1. HOST-компьютер по адресу, уникального для каждого модуля, передает запрос на ввод данных в виде команды, представляющей набор ASCII-кодов, т.е. выводит в последовательный порт строку символов.

2. При получении команды модуль производит ее идентификацию и проверку контрольной суммы посылки на четность, после чего посылает в адрес HOST-компьютера запрашиваемую информацию также в виде строки символов.

3. HOST-компьютер принимает и анализирует эти входные данные, после чего они могут быть обработаны  в соответствии с необходимыми для управления всей системой алгоритмами.

При построении сети на основе интерфейса RS-485 следует учитывать то обстоятельство, что лишь одно из устройств в ней может быть ведущим (Master), а остальные – ведомыми. При этом по ходу работы приоритеты работы разных устройств могут меняться.

Настройка и калибровка модулей осуществляется программным способом. Параметры конфигурации, такие как адрес, скорость обмена по последовательному каналу связи, наличие проверки контрольной суммы команды, диапазон изменения входных и выходных сигналов и их размерность, вид представления измеренных значений и некоторые другие параметры сохраняются во встроенном электрически перепрограммируемом ПЗУ.

Таким образом, следует обратить внимание на такие характерные особенности как:

– простота построения системы под управлением HOST-компьютера. Модули объединяются в сеть любой сложной топологии на основе широко распространенного стандарта RS-485; все модули используют для коммуникации простой протокол «Команда/Отклик», инициируемый HOST-компьютером;
– «встроенный интеллект». Модули обеспечивают приведение сигнала к требуемому уровню, мониторинг системы, выдачу аварийных сигналов, сохранность важнейших параметров настроек;
– гибкость настройки. Конфигурация и калибровка модулей осуществляется программно с HOST-компьютера.

Распределенная система управления и сбора данных на основе модулей серии IC-7000
Распределенная система управления и сбора данных на основе модулей серии IC-7000

Несмотря на то, что серия I-7000 по многим аппаратным характеристикам и системе команд аналогична изделиям других производителей, представленным на рынке России в настоящее время (ADAM, NUDAM, серия 6B Analog Devices), обращаем ваше внимание на то, данная серия появилась относительно недавно. Поэтому, при конструировании модулей разработчики не только учли все те лучшие черты и особенности ранее выпущенных серий модулей сбора данных других фирм, но и обеспечили их полную совместимость, устранили недостатки, присущие ранее созданным аналогичным изделиям, а также дополнили свои модули новыми, заслуживающими особого внимания,  функциями.

Имеется ряд существенных особенностей, выделяющих данные изделия фирмы ICP DAS среди им подобных:

- наиболее широкая и постоянно пополняемая номенклатура модулей; 
- широкий диапазон скоростей передачи данных – от 1200 до 115200 бод; 
- особенность самонастройки конверторов I-7520 на скорость передачи данных, благодаря чему в системе может быть до 2048 модулей, работающих на 8-ми разных скоростях;
- объединение до 256 модулей в один сегмент  без репитера;
- «горячая» замена любого модуля;
- высокое напряжение изоляции входных цепей;
- наличие двойного WatchDog-таймера (WDT) в каждом модуле – аппаратного и программного;
- при наличии в сети модуля I-7188 система может  работать без внешнего HOST-компьютера.

Некоторые из вышеперечисленных особенностей заслуживают более детального рассмотрения.

В модулях реализован широкий диапазон скоростей передачи данных по сети RS-485. Причем максимальная скорость составляет 115 кбод. При этом модули, подключенные к одному последовательному порту HOST-компьютера, необязательно должны работать на одной и той же скорости. Модули конверторов интерфейсов RS-232/RS-485, а также модули репитеров (повторителей) имеют функцию самонастройки. Суть ее заключается в том, что эти модули автоматически определяют направление передачи данных, скорость передачи и формат посылки. Другими словами,  для информационных потоков модули конверторов и репитеров полностью прозрачны.

Каждый из модулей серии I-7000 имеет  двойной сторожевой таймер (WatchDog). Это одна из важнейших особенностей  данной серии, которая значительно увеличивает показатель надежности и работоспособности всей системы в целом.

Первый сторожевой таймер представляет собой аппаратно реализованное устройство, которое перезапускает модуль в случае его зависания, не позволяя тем самым прерваться управляемому технологическому процессу или потерять контроль за считываемыми данными.

Второй сторожевой таймер является программным. Он постоянно отслеживает наличие передачи данных в сети RS-485. Если по истечении заданного интервала времени никаких посылок не было, то делается вывод об отказе HOST-компьютера или обрыве коммуникационных линий. В такой ситуации все выходы модуля переводятся в заранее предустановленные для подобного случая состояния. В результате при возникновении нештатной ситуации имеется возможность удерживать параметры технологического процесса в пределах нормы до устранения неисправности.

Очень важная особенность – возможность «горячей» замены любого модуля в любой точке сети без выключения питания. Данное свойство существенно увеличивает ремонтопригодность всей системы без остановки технологического процесса и предоставляет возможность дальнейшей ее модернизации и расширения.

Рассмотрим типы модулей, представленные в серии I-7000 в настоящее время.

Контроллер I-7188

Модуль I-7188 представляет собой PC-совместимый микроконтроллер, который является, по существу, маленьким РС-совместимым компьютером. В нем есть процессор АМD 80188-40МГц, 256 кбайт SRAM памяти (ОЗУ), электронный Flash-диск (аналог жесткого диска) объемом 256 кбайт или 512 кбайт, часы реального времени, 4 последовательных порта, то есть почти все необходимые атрибуты обычного компьютера. Имеется BIOS, особенностью которого является возможность работы без жесткого и флоппи-дисков, стандартной клавиатуры и монитора. Конструктивно I-7188 выполнен аналогично другим модулям серии. Выпускается в двух вариантах: с 5-знаковым 7-сегментным индикатором или без него. Контроллер не требователен к питанию; достаточно подать нестабилизированное напряжение в диапазоне 10-30В постоянного тока. При этом модуль потребляет всего 2-3Вт.

Ниже приводятся технические характеристики контроллера I-7188.

Процессор: AMD 80188-40МГц
SRAM: 256кб
Flash-диск: 256кб/512кб
Максимальный объем программы пользователя: 192кб/448кб
Операционная система:
–  Datalight's ROM-DOS, совместимая с MS-DOS 6.2
–  поддерживает RAM-DISK и Flash ROM-DISK
–  загрузка программ с удаленного компьютера
Часы реального времени:
–  отсутствует «Проблема 2000 года (Y2K)»,
– считает секунды, минуты, часы, дни, месяцы, года от 1980 до 2079,
–  NVSRAM (энергонезависимая память): 31 байт, время хранения данных не менее 10 лет,
–  литиевая батарея для часов реального времени и NVSRAM
EEPROM: 1024 байта,  >1,000,000 циклов перезаписи
Последовательные порты: 4
–  максимальная скорость обмена 115.2кбод
– СОМ1: RS-232 или RS-485 (выбирается перемычкой)
–  СОМ2: RS-485
–  COM3: RS-232
–  COM4: RS-232
Индикатор: светодиодный 5-разрядный семисегментный
Потребляемая мощность: 2.2Вт максимум

В настоящее время модуль I-7188 один из самых маленьких и недорогих РС-совместимых контроллеров. Области его применения могут быть самыми разнообразными. Прежде всего это идеальный удаленный контроллер для управления группой модулей серии IС-7000 или им подобных (например, ADAM-4000, NuDAM-6000). Вам необязательно подключать модули напрямую к «большому» управляющему компьютеру или дорогостоящему PLC. I-7188 вполне справится с задачей сбора данных от модулей удаленного ввода-вывода и первичной обработкой информации. Кроме того, при помощи контроллера I-7188 и группы модулей можно реализовать очень недорогую  автономную замкнутую систему автоматического управления. При этом на удаленной рабочей станции (АРМ) через последовательный интерфейс можно осуществлять контроль и оперативное управление подобной системой. К контроллеру I-7188 можно подключать не только модули удаленного ввода-вывода, но и любые другие устройства: принтеры, модемы, POS-терминалы, другие компьютеры и контроллеры, словом все, что может обмениваться данными через последовательный порт. Отметим, что I-7188 имеет 4 СОМ-порта (RS-232 и RS-485), поэтому к разным портам можно подсоединять устройства разных типов. В связи с вышесказанным система или отдельный ее сегмент могут иметь довольно сложную конфигурацию и топологию. Среди применений I-7188 могут быть и нетривиальные. Его, например, можно использовать в качестве интеллектуального, программируемого, адресуемого преобразователя интерфейса.

Несколько слов о программировании I-7188. Начнем с того, что в контроллере «прошита» ROM-DOS. Это операционная система, функционально эквивалентная MS-DOS 6.2, работает не с жесткого, а с ROM-диска, защищенного от записи. Платой за такую «встроенность» операционной системы  в контроллер явилось некоторое уменьшение (на 64 кбайт) объема пространства на Flash-диске, доступного для программ пользователя. Но при этом сразу после включения питания начинается автоматическая  загрузка DOS, и контроллер готов к работе.

Разрабатывать программы для контроллера можно на обычном компьютере. Можно использовать обычные языки программирования, такие как Си, Pascal, BASIC, то есть все то, что используется для создания программ под DOS. Единственно, о чем следует помнить, это то, что в контроллере используется процессор 80188, поэтому в программе нельзя использовать инструкции процессора 286. Затем скомпилированную программу следует загрузить во Flash-диск модуля I-7188. Это делается после подключения контроллера через СОМ4 к любому последовательному порту обычного компьютера при помощи специальной утилиты, поставляемой в комплекте с контроллером. Если на компьютере запустить специальную поставляемую в комплекте терминальную программу, то монитор и клавиатура компьютера становятся устройствами ввода-вывода информации для I-7188. Таким образом получается, что вы как бы работаете с удаленным компьютером. Отладку программ на контроллере можно производить и без перезаписи содержимого Flash-диска. Для этого можно использовать виртуальный диск, создаваемый в SRAM-памяти контроллера с помощью специального драйвера, поддерживаемого ROM-DOS. Заранее отлаженную программу необходимо переписать на Flash-диск.

Модули аналогового ввода

Эти модули преобразуют аналоговый входной сигнал в инженерные единицы измерения и передают данные по интерфейсу RS-485 в формате ASCII. При помощи них можно измерять напряжение, силу тока, температуру, давление и другие типы входных аналоговых сигналов. В модулях нет переключателей, нуждающихся в предварительной установке. Все модули имеют встроенный микропроцессор для управления 16-битным сигма-дельта аналого-цифровым преобразователем.

Номенклатура модулей аналогового ввода серии I-7000 чрезвычайна широка и разнообразна. Существуют как одноканальные модули, так и многоканальные. Одноканальные кроме аналогового входа имеют также один дискретный вход и два дискретных выхода. Большинство модулей имеют семисегментные цифровые индикаторы, на которых непосредственно отображается значение измеряемого параметра.

Ниже приведен список модулей аналогового ввода серии     I-7000, доступных в настоящее время:

I-7011 Модуль ввода сигнала с термопары;
I-7011D Модуль ввода сигнала с термопары  с цифровой индикацией;
I-7011P Модуль ввода сигнала с термопары с расширенными диапазонами;
I-7011PD Модуль ввода сигнала с термопары  с расширенными диапазонами и цифровой  индикацией;
I-7012 Модуль аналогового ввода;
I-7012D Модуль аналогового ввода с цифровой  индикацией;
I-7012F Скоростной модуль аналогового ввода;
I-7012FD Скоростной модуль аналогового ввода  с цифровой индикацией;
I-7013 Модуль аналогового ввода сигнала  с термосопротивления;
I-7013D Модуль аналогового ввода сигнала  с термосопротивления с цифровой  индикацией;
I-7014D Модуль аналогового ввода с цифровой индикацией;
I-7016 Модуль аналогового ввода сигнала от тензодатчика;
I-7016D Модуль аналогового ввода сигнала от тензодатчика c цифровой индикацией;
I-7017 8-канальный модуль аналогового ввода;
I-7017F 8-канальный скоростной модуль  аналогового ввода;
I-7018 Модуль аналогового ввода сигналов с термопар, 8 каналов;
I-7018P Модуль аналогового ввода сигналов с термопар, 8 каналов с расширенными диапазонами;
I-7033 3-канальный модуль аналогового ввода сигнала с термосопротивления;
I-7033D 3-канальный модуль аналогового ввода сигнала с термосопротивления с цифровой индикацией.

Модули аналогового вывода

Модули аналогового вывода обеспечивают выходные сигналы в виде различных значений напряжения и силы тока. Данные модули содержит микропроцессор, управляющий выходным цифро-аналоговым преобразо-вателем. Модули могут запоминать стартовые значения, которые будут присутствовать на выходе после включения питания. Кроме того, предусмотрена возможность ограничения скорости нарастания выходного сигнала. При этом модули содержат встроенный входной АЦП, позволяющий контролировать значения выходного параметра (наличие обратной связи).

Сейчас доступны следующие модули аналогового вывода:

I-7021 12-разрядный модуль аналогового вывода;
I-7021P 16-разрядный модуль аналогового вывода;
I-7024 4-канальный 14-разрядный модуль аналогового вывода.

Модули цифрового ввода-вывода

Номенклатура модулей цифрового ввода-вывода достаточно широка. Данные модули содержат разное количество входных и выходных каналов, причем как с общим проводом, так и изолированных, как совместимых по уровню с ТТЛ, так и релейных: типа «сухой контакт». Все входные модули имеют возможность блокировки отдельных каналов в процессе работы. Кроме того, они имеют встроенные счетчики событий, которые можно программно подключать к дискретным входам.

Ниже приведен список модулей дискретного ввода-вывода:

I-7041 14-канальный модуль дискретного ввода с изоляцией;
I-7041D 14-канальный модуль дискретного ввода  с изоляцией с индикацией;
I-7042 13-канальный модуль дискретного вывода с открытым коллектором;
I-7042D 13-канальный модуль дискретного вывода  с открытым коллектором с индикацией;
I-7043 16-канальный модуль дискретного вывода без изоляции;
I-7043D 16-канальный модуль дискретного вывода без изоляции с индикацией;
I-7044 Модуль дискретного ввода-вывода с изоляцией;
I-7044D Модуль дискретного ввода-вывода с изоляцией с индикацией;
I-7050 Модуль дискретного ввода-вывода;
I-7050D Модуль дискретного ввода-вывода с индикацией;
I-7052 Модуль дискретного ввода  с гальванической изоляцией;
I-7052D Модуль дискретного ввода с гальванической изоляцией с индикацией;
I-7053 16-канальный модуль дискретного ввода;
I-7053D 16-канальный модуль дискретного ввода с индикацией;
I-7060 Модуль релейного вывода и дискретного ввода;
I-7060D Модуль релейного вывода и дискретного  ввода с индикацией;
I-7063 Модуль дискретного ввода-вывода (с силовыми реле);
I-7063A Модуль дискретного ввода-вывода (с твер дотельными реле для переменного тока);
I-7063AD Модуль дискретного ввода-вывода  (с твердотельными реле для переменного  тока) с индикацией;
I-7063B Модуль дискретного ввода-вывода (с твердотельными реле для постоянного тока);
I-7063BD Модуль дискретного ввода-вывода  (с твердотельными реле для постоянного  тока) с индикацией;
I-7063D Модуль дискретного ввода-вывода  (с силовыми реле) с индикацией;
I-7065D Модуль мощного релейного вывода  и дискретного ввода с индикацией;
I-7066 7-канальный модуль дискретного вывода с Photo Mos реле;
I-7066D 7-канальный модуль дискретного вывода с Photo Mos реле с индикацией;
I-7067 Модуль релейного вывода;
I-7067D Модуль релейного вывода с индикацией

Модули таймеров/счетчиков

Модуль I-7080 оборудован двумя 32-битными счетчиками и программируемым таймером для измерения частоты. В дополнение к этому имеется входной программируемый цифровой фильтр для фильтрации помех входных сигналов. Ко всему прочему, модуль I-7080D может отображать показания на пятиразрядном светодиодном индикаторе.

Коммуникационные модули

Модули типа I-7520/I-7520R необходимы для преобразования сигналов стандарта RS-232 в RS-485, а также гальванической развязки HOST-компьютера и контроллеров от сети на основе интерфейса RS-485. Модули I-7510 являются повторителями (репитерами) и служат для гальванической развязки и усиления сигналов в отдельных сегментах системы управления. При помощи одного такого повторителя можно удлинять (наращивать) сегменты сети на основе RS-485 на 1200 метров.

При построении территориально-распределенной системы автоматического управления и сбора данных для обмена информацией между удаленными устройствами разработчики иногда вынуждены в качестве физической среды обмена информацией использовать радиоканал. Для этих целей можно использовать модули радиомодемов, входящих в серию I-7000. В настоящее время производятся радиомодемы на частотные диапазоны 900 МГц и 2400 МГц. Модули радиомодемов позволяют устанавливать связь типа «точка - точка» и «точка - мультиточка» на расстояние до 5 км.

Программное обеспечение

Вместе с модулями серии I-7000 поставляются специальные программы для тестирования модулей и коммуникационных линий, их настройки и калибровки, а также набор DLL-драйверов под Windows-95/NT  для программирования в среде VC++, VB, Delphi, LabVIEW. Отметим, что некоторые известные пакеты, такие как LabVIEW, HP VEE, DasyLab, TestPoint и другие, могут управлять модулями серии I-7000 непосредственно.

Полная номенклатура модулей серии I-7000 поддерживается и самой продаваемой на российском рынке SCADA-системой Trace Mode отечественной фирмы AdAstra.

В одной статье невозможно описать все особенности широкой номенклатуры модулей серии I-7000, представить подробные технические характеристики, показать все многообразие возможностей построения распределенных систем управления и сбора данных на их основе. Читатели, заинтересовавшиеся модулями серии I-7000, могут получить дополнительную информацию и консультации в компании «Индустриальные компьютерные системы» (ИКОС). Мы предлагаем посетить наши WEB-сайты www.icos.ru и www.icn.ru, где можно найти полные технические данные и особенности применения модулей серии I-7000. У нас также можно получить наш печатный каталог (в том числе по почте), в котором представлена техническая информация не только по модулям удаленного ввода-вывода, но и по всем направлениям промышленных компьютерных систем и средств для построения АСУ ТП.

Компания «Индустриальные компьютерные системы» (ИКОС)
109428, г. Москва, Рязанский просп., 8а, офис 100
Тел.: 232-02-07, 742-4824, 174-3550, 174-3404
Факс: 174-3274
E-mail: mail@icos.ru; sarvin@icos.ru