Оборудование для АСУ ТП и сбора данных

Оборудование для промышленной автоматизации и АСУ ТП

Современная система автоматизации объединяет несколько уровней: датчики и исполнительные механизмы, системы ввода-вывода, контроллеры, операторские интерфейсы и средства передачи данных на верхний уровень. Конкретная архитектура зависит от технологического процесса, требований к времени реакции, количеству сигналов, используемым промышленным протоколам и необходимой интеграции со SCADA, MES, базами данных и другими системами.

HPI Networks поставляет оборудование для построения как компактных локальных систем управления, так и распределённых систем сбора данных и автоматизации.

Основные компоненты системы АСУ ТП

Программируемые логические контроллеры PLC и PAC

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) выполняют алгоритмы управления технологическим процессом или машиной. PLC и PAC получают данные от датчиков и систем ввода-вывода, выполняют пользовательскую программу и формируют управляющие команды для исполнительных механизмов.

При выборе контроллера необходимо учитывать производительность, программную среду, количество локальных и удалённых I/O, коммуникационные интерфейсы и поддерживаемые промышленные протоколы. Для PLC/PAC также важна используемая программная архитектура, включая поддержку IEC 61131-3, CODESYS, ISaGRAF и других сред в зависимости от платформы.

Системы удалённого ввода-вывода Remote I/O

Системы Remote I/O позволяют разместить модули ввода-вывода непосредственно рядом с датчиками и исполнительными механизмами и передавать данные контроллеру или SCADA по промышленной сети.

В зависимости от модели Remote I/O может поддерживать дискретные входы и выходы, аналоговые сигналы, RTD, термопары, релейные выходы, счётчики и другие типы каналов. Для связи могут использоваться Ethernet, RS-485 и промышленные сетевые протоколы.

Платы и модули сбора данных DAQ

Платы и модули ввода-вывода (DAQ) используются для непосредственного подключения сигналов к промышленному или обычному компьютеру и построения PC-based систем измерения, мониторинга, испытаний и управления.

DAQ может подключаться через PCI, PCI Express, USB и другие host-интерфейсы и поддерживать аналоговые и дискретные I/O, счётчики, таймеры и multifunction acquisition в зависимости от модели.

Панели оператора HMI

Панели оператора HMI обеспечивают человеко-машинный интерфейс: отображают состояние технологического процесса, параметры оборудования, аварии и тренды и позволяют оператору передавать команды системе управления.

При выборе HMI учитываются диагональ и разрешение дисплея, тип сенсорного экрана, коммуникационные интерфейсы, поддерживаемые протоколы и совместимость с PLC, приводами и другим оборудованием проекта.

IIoT-шлюзы и интеграция OT с IT

IIoT-шлюзы применяются для сбора и агрегации данных промышленного оборудования, их предварительной обработки и передачи в SCADA, базы данных, Edge-, IT- или облачные системы.

В зависимости от модели могут использоваться MQTT, OPC UA, Modbus и другие промышленные и IT-протоколы. При выборе IIoT Gateway важно учитывать не только перечень протоколов, но и поддерживаемые роли, возможности обработки и хранения данных и программную платформу устройства.

Корзины и базовые шасси расширения I/O

Корзины и базовые шасси расширения являются основой модульных систем ввода-вывода. В них устанавливаются специализированные I/O-модули, а базовый блок обеспечивает внутреннюю шину, питание и, в зависимости от архитектуры, коммуникацию с управляющей системой.

При подборе необходимо учитывать совместимую серию I/O-модулей, количество слотов, способ подключения к управляющей системе и возможности расширения станции.

Motion Control

Модули управления движением предназначены для управления положением, скоростью и траекторией серво- и шаговых приводов.

Motion Control применяется в станках, упаковочном и сборочном оборудовании, системах позиционирования и других машинах с управляемыми осями. В зависимости от платформы могут поддерживаться pulse-train управление, EtherCAT, многокоординатная интерполяция, encoder feedback, position compare и другие специализированные функции.

Платы промышленной связи

Платы промышленной связи добавляют промышленному компьютеру или embedded-платформе последовательные интерфейсы и специализированные industrial fieldbus connections.

В зависимости от модели могут поддерживаться RS-232/422/485, CAN и CAN FD, CANopen, DeviceNet, PROFIBUS, PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP и другие интерфейсы и протоколы. При подборе необходимо учитывать host-интерфейс платы, роль устройства в промышленной сети, драйверы и SDK.

Промышленные программируемые контроллеры

Промышленные контроллеры представляют собой компактные embedded-платформы для автономного выполнения пользовательских программ управления, обработки данных и коммуникационных задач.

Такие устройства могут программироваться на C/C++ или с помощью SDK производителя и оснащаться Ethernet, последовательными интерфейсами, локальными I/O и средствами расширения. Их следует отличать от PLC/SoftPLC, работающих в специализированной PLC-runtime архитектуре.

Терминальные платы и модули подключения

Терминальные платы и модули подключения используются для соединения полевой проводки с DAQ, Motion Control и другими I/O-платами.

Помимо простого вывода многоконтактного разъёма на клеммы, отдельные terminal и daughter boards могут обеспечивать гальваническую развязку, релейные выходы, согласование или предварительную обработку сигналов.

Как строится система сбора данных и управления

В типовой распределённой системе датчики измеряют физические параметры технологического процесса, а модули ввода-вывода преобразуют эти сигналы в данные, доступные системе управления. PLC, PAC или промышленный контроллер выполняет алгоритм управления и формирует команды исполнительным механизмам.

HMI предоставляет оператору локальный интерфейс, а SCADA обеспечивает централизованную визуализацию, архивирование и управление на верхнем уровне. IIoT-шлюзы могут использоваться для передачи технологических данных в Edge-, IT- и облачные системы.

Дискретные и аналоговые сигналы

При проектировании I/O необходимо определить количество и тип физических сигналов. Дискретные входы используются для получения состояний выключателей, датчиков и контактов, а дискретные и релейные выходы — для управления внешними устройствами.

Аналоговые входы и выходы применяются для измерения и формирования непрерывных электрических сигналов. Необходимо учитывать диапазон напряжения или тока, разрешение, точность, частоту измерения и требования к гальванической развязке.

RTD и термопары

Для измерения температуры используются специализированные входные модули для RTD и thermocouple. Тип датчика, схема подключения, диапазон измерения, разрешение и точность должны соответствовать требованиям проекта.

Наличие обычного аналогового входа не означает, что к нему можно непосредственно подключить любой температурный датчик без соответствующего преобразования или signal conditioning.

Промышленные интерфейсы и протоколы

В АСУ ТП используются как последовательные интерфейсы RS-232/422/485 и CAN, так и Industrial Ethernet. Поверх физических интерфейсов работают прикладные протоколы, поэтому электрический интерфейс и промышленный протокол необходимо рассматривать отдельно.

Например, наличие RS-485 не означает автоматическую поддержку Modbus RTU, а обычный Ethernet-интерфейс не означает поддержку PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT или Modbus TCP.

Modbus RTU и Modbus TCP

Modbus широко применяется для обмена данными между контроллерами, Remote I/O, HMI, измерительными приборами и другим оборудованием автоматизации.

При подборе необходимо учитывать не только наличие Modbus, но и транспорт — RTU или TCP — и роль устройства: Client/Master или Server/Slave. Поддерживаемые роли следует проверять по документации конкретной модели.

OPC UA и MQTT

OPC UA и MQTT используются в архитектурах, где данные технологического оборудования необходимо передавать между OT-, Edge- и IT-системами.

Поддержка этих протоколов особенно характерна для IIoT-шлюзов и современных платформ автоматизации, однако наличие MQTT или OPC UA само по себе не определяет класс устройства.

EtherCAT и системы реального времени

EtherCAT применяется как для распределённого I/O, так и для высокопроизводительных систем Motion Control. Поэтому наличие EtherCAT-интерфейса само по себе не означает, что устройство является motion controller.

Для управления движением необходимо дополнительно проверять поддержку осей, синхронизации, интерполяции, motion API и совместимость с используемыми приводами.

Гальваническая развязка и защита сигналов

В промышленных системах необходимо учитывать электрические помехи, разность потенциалов и перенапряжения в сигнальных линиях. I/O-модули и communication interfaces могут иметь встроенную гальваническую развязку и различные средства электрической защиты.

Параметры изоляции и защиты следует проверять по документации конкретной модели и учитывать вместе с общей схемой заземления, экранирования и защиты объекта.

Распределённая или централизованная архитектура

При централизованной архитектуре значительная часть сигналов заводится непосредственно в один шкаф или компьютер. В распределённой системе Remote I/O размещается ближе к технологическому оборудованию, а обмен с контроллером осуществляется по промышленной сети.

Выбор архитектуры зависит от количества и расположения сигналов, требований к времени реакции и отказоустойчивости, топологии объекта и стоимости кабельной инфраструктуры.

Как выбрать оборудование для АСУ ТП

Подбор следует начинать не с конкретной модели, а с архитектуры системы. Необходимо определить задачи управления и сбора данных, количество и тип I/O, расположение оборудования, используемые протоколы и требования к взаимодействию с существующей системой.

После этого выбираются PLC/PAC или промышленный контроллер, локальные и удалённые I/O, HMI, коммуникационные интерфейсы, IIoT-компоненты и вспомогательное оборудование.

Что учитывать при проектировании

• количество и тип дискретных и аналоговых сигналов;
• RTD, термопары, счётчики и другие специализированные входы;
• локальное или распределённое размещение I/O;
• требования к времени цикла и реакции системы;
• вычислительную производительность контроллера;
• среду и язык программирования;
• RS-232/422/485 и CAN;
• Modbus RTU и Modbus TCP;
• PROFIBUS, PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP и другие промышленные сети;
• OPC UA, MQTT и интеграцию с верхним уровнем;
• требования к Motion Control;
• гальваническую развязку и электрическую защиту;
• напряжение питания;
• монтаж и габариты;
• рабочую температуру и условия эксплуатации;
• совместимость оборудования и программных средств.

Подбор оборудования для проекта автоматизации

При подборе оборудования для АСУ ТП важно рассматривать компоненты как единую систему: контроллер, I/O, HMI, промышленную сеть, интерфейсы связи и программное обеспечение должны быть совместимы между собой и соответствовать требованиям технологического процесса.

HPI Networks помогает подобрать оборудование по техническому заданию или спецификации, проверить совместимость интерфейсов и протоколов, подобрать аналоги и сформировать комплект оборудования для системы автоматизации и сбора данных.