Что такое время цикла микропроцессорного контроллера

35

Программируемые логические контроллеры (плк). Принципы работы плк сканирующего типа. Рабочие циклы и время реакции плк.

Программи́руемый логи́ческий контро́ллер(сокр.ПЛК;англ.programmable logic controller, сокр.PLC; более точный перевод на русский — контроллер с программируемой логикой),программируемый контроллер— электронная составляющаяпромышленного контроллера, специализированного (компьютеризированного) устройства, используемого дляавтоматизации технологических процессов. В качестве основного режима работы ПЛК выступает его длительное автономное использование, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека.

Иногда на ПЛК строятся системы числового программного управлениястанков.

ПЛК являются устройствами реального времени. ПЛК имеют ряд особенностей, отличающих их от прочих электронных приборов, применяемых в промышленности:

в отличие от микроконтроллера (однокристального компьютера) — микросхемы, предназначенной для управления электронными устройствами — областью применения ПЛК обычно являются автоматизированные процессы промышленного производства в контексте производственного предприятия;

в отличие от компьютеров, ориентированных на принятие решений и управление оператором, ПЛК ориентированы на работу с машинами через развитый ввод сигналов датчиков и вывод сигналов на исполнительные механизмы;

в отличие от встраиваемых систем ПЛК изготавливаются как самостоятельные изделия, отдельные от управляемого при его помощи оборудования.

В системах управления технологическими объектами логические команды, как правило, преобладают над арифметическими операциями над числами с плавающей точкой, что позволяет при сравнительной простоте микроконтроллера (шинышириной 8 или 16 разрядов), получить мощные системы, действующие в режимереального времени. В современных ПЛК числовые операции в языках их программирования реализуются наравне с логическими. Все языки программирования ПЛК имеют лёгкий доступ к манипулированию битами в машинных словах, в отличие от большинства высокоуровневых языков программирования современных компьютеров.

ПЛК сканирующего типа работают циклически по методу периодического опроса входных данных. Именно такая модель обеспечивается в среде программирования CoDeSys. Рабочий цикл ПЛК включает 4 фазы:

опрос входов,

выполнение пользовательской программы,

установку значений выходов и

некоторые вспомогательные операции (диагностика, подготовка данных для отладчика, визуализации и т.д).

Прикладная программа имеет дело с одномоментной копией значений входов. Внутри одного цикла выполнения программы, значения входов можно считать константами. Такая модель упрощает анализ и программирование сложных логических и последовательностных алгоритмов. Очевидно, что время реакции на событие будет зависеть от времени выполнения одной итерации прикладной программы.

Рис.14.1 Рабочий цикл для ПЛК работающего по методу периодического опроса входных данных.

В технических характеристиках ПЛК приводится типовое время рабочего цикла. При его измерении пользовательская программа должна содержать 1К логических команд (на языке IL МЭК 61131-3). Сегодня ПЛК имеют типовое значение времени рабочего цикла, измеряемое единицами миллисекунд и менее. События, требующие быстрой реакции, выделяются в отдельные задачи, приоритетность и период выполнения которых можно изменять.

Рабочие циклы и время реакции ПЛК.

Задачи управления требуют непрерывного циклического контроля. В любых цифровых устройствах непрерывность достигается за счет применения дискретных алгоритмов, повторяющихся через достаточно малые промежутки времени. Таким образом, вычисления в PLC всегда повторяются циклически. Одна итерация, включающая замер, обсчет и выработку воздействия, называется рабочим циклом PLC.

Выполняемые действия зависят от значения входов контроллера, предыдущего состояния и определяются пользовательской программой.

По включению питания PLC выполняет самотестирование и настройку аппаратных ресурсов, очистку оперативной памяти данных (ОЗУ), контроль целостности прикладной программы пользователя. Если прикладная программа сохранена в памяти, PLC переходит к основной работе, которая состоит из постоянного повторения последовательности действий, входящих в рабочий цикл.

Рабочий цикл PLC состоит из нескольких фаз.

2. Чтение состояния входов.

3. Выполнение кода программы пользователя.

4. Запись состояния выходов.

5. Обслуживание аппаратных ресурсов PLC.

6. Монитор системы исполнения.

7. Контроль времени цикла.

8. Переход на начало цикла.

Абсолютное большинство PLC работают по методу периодического опроса входных данных (сканирования). PLC опрашивает входы, выполняет пользовательскую программу и устанавливает необходимые значения выходов. Для математических систем характеристикой качества работы является правильность найденного решения. В системах реального времени помимо правильности решения определяющую роль играет время реакции. Логически верное решение, полученное с задержкой более допустимой, не является приемлемым.

Время реакции — это время с момента изменения состояния системы до момента выработкисоответствующей реакции. Если изменение значений входов произошло непосредственно перед фазой чтения входов, то время реакции будет наименьшим и равным времени сканирования. Худший случай, когда изменение значений входов происходит сразу после фазы чтения входов. Тогда время реакции будет наибольшим, равным удвоенному времени сканирования минус время одного чтения входов. Иными словами, время реакции PLC не превышает удвоенного времени сканирования (Рис. 14.2).

Рис.14.2. Время сканирования

Помимо времени реакции PLC, существенное значение имеет время реакции датчиков и исполнительных механизмов, которое также необходимо учитывать при оценке общего времени реакции системы.

Существуют PLC, которые реализуют команды непосредственного доступа к аппаратуре входов и выходов, что позволяет обрабатывать и формировать отдельные сигналы с длительностью меньшей длительности рабочего цикла.

Для уменьшения времени реакции сканирующих контроллеров алгоритм программы разбивается на несколько задач с различным периодом исполнения. В наиболее развитых системах пользователь имеет возможность создавать отдельные программы, исполняемые по прерыванию, помимо кода, исполняемого в рабочем цикле. Такая техника позволяет PLC существенно форсировать ограничение реакции временем сканирования при небольшом количестве входов, требующих сверхскоростной реакции. Время цикла сканирования является базовым показателем быстродействия PLC. Программа PLC может рассматриваться как постоянно бегущая замкнутая цепь. Инструкция пользователя считывается непрерывно и когда считывается последняя инструкция, операция начинается снова. Это называется сканированием программы, а период – временем сканирования. Время зависит от размера программы и скорости процессора.

Программируемые логические контроллеры. Устройство и принцип работы.

Современную промышленность невозможно представить без систем автоматизации. Сложность производственных процессов делает невозможным управление ими вручную, к тому же системы автоматики обходятся гораздо дешевле, чем обслуживающий персонал, да и работают они быстрее и надёжнее. Да что говорить о промышленности – в настоящее время практически ни одно здание не обходится без автоматики. Школы, больницы, детские сады, офисные и складские помещения, загородные дома и коттеджи – все эти объекты оснащены инженерными системами с автоматическим управлением. Несмотря на многообразие применений и сфер использования все системы автоматики работают по одному принципу и обладают схожей структурой, в центре которой находится «мозг» системы – программируемый логический контроллер (ПЛК).

С чего всё начиналось?

Все начиналось с построения релейно-контактных систем управления, представляющих из себя огромные шкафы, набитые проводами и релейными модулями. В эти шкафы приходили сигналы от датчиков, а на выходе формировались команды исполнительным устройствам. Кроме того, что они были больших размеров, такие системы управления неудобны тем, что они совершенно не гибкие: для того, изменить логику управления, необходимо вручную перебирать всю электрическую схему. С развитием микропроцессорной техники на смену релейным шкафам пришли ПЛК – устройства, выполняющие те же функции, но имеющие принципиально другой механизм преобразования входных сигналов в выходные. Такое преобразование в ПЛК выполняется в соответствии с записанной программой. С появлением контроллеров размеры систем управления уменьшились в десятки раз, значительно упростился процесс их разработки и последующих изменений.

Принцип работы ПЛК

ПЛК работает по циклическому принципу. В самом начале цикла ПЛК сканирует состояния входов, на которые поступают сигналы от датчиков и устройств. Затем в соответствии с алгоритмом программы происходит вычисление состояния выходов. В конце рабочего цикла контроллер устанавливает каждый выход в состояние, которое было определено.

1. Чтение состояний входов

2. Выполнение программы пользователя

3. Запись состояний выходов

Указанные этапы цикла выполняются последовательно – это означает, что изменения состояний входов не будут «замечены» контроллером во время выполнения программы. По этой причине одним из важнейших параметров ПЛК является время реакции. Если оно окажется больше, чем минимальный период изменения состояний входов, некоторые события, происходящие в системе, будут «пропущены» контроллером.

Также стоит учесть, что и датчики реагируют на изменения в системе не мгновенно. Поэтому полное время реакции системы управления складывается из времени реакции ПЛК и времени реакции датчиков.

Время реакции системы — время с момента изменения состояния системы до момента выработки соответствующей реакции (принятия решения).

Системы реального времени

Все системы можно условно разделить на системы жёсткого и мягкого реального времени.

В системах жёсткого реального времени реакция ПЛК не должна превышать определённый временной порог. При увеличении времени реакции система теряет свою работоспособность.

В системах мягкого реального времени при увеличении времени реакции может происходить сильное ухудшение качества управления, но работоспособность при этом не теряется.

Входы и выходы ПЛК

Дискретные входы – предназначены для ввода сигналов от дискретных датчиков (кнопки, тумблеры, концевые выключатели, термостаты и др.). Напряжение сигнала унифицировано для всех ПЛК и составляет 24 В. Проще говоря, при «появлении» на входе контроллера напряжение 24 В – ПЛК будет считать этот вход «включенным», то есть он примет значение логической «1» в восприятии контроллера.

Дискретные выходы – предназначены для управления устройствами по принципу «включить/выключить» (магнитные пускатели, лампочки, клапаны и др.). Дискретный выход – это обычный контакт, который может замкнуть или разомкнуть управляющую или питающую цепь устройства.

Аналоговые входы – предназначены для ввода непрерывного сигнала с датчиков и других устройств. Существует два основных вида унифицированных аналоговых сигналов: по току – 4..20 мА, по напряжению 0..10 В. Например, датчик температуры имеет диапазон -10 — +70 °С, тогда 4мА на выходе соответствует -10 °С, а 20мА – это +70 °С. С аналоговыми сигналом по напряжению всё аналогично.

Аналоговые выходы – предназначены для плавного управления устройствами. Унифицированные значения аналогового сигнала на выходах такое же, как и на входах – 4..20мА (0..10В). Например, вентиль может поворачиваться в пределах от 0° до 90°. Ток 4мА повернёт его в положение 0°, а 20мА – в положение 90°. Для того, чтобы повернуть его на 45°, нужно подать на него управляющий сигнал 8мА. Таким образом, меняя значение силы тока на выходе, контроллер может поворачивать вентиль на заданный угол.

Специализированные входы/выходы – не унифицированы, применяются для подключения нестандартных датчиков и исполнительных устройств со специфическим уровнем сигнала, питанием и программной обработкой.

Цифровые интерфейсы ПЛК

Изначально ПЛК предназначались для управления последовательными логическими процессами. Современные контроллеры помимо логических операций способны выполнять цифровую обработку сигналов. Они могут обмениваться информацией с другими устройствами, такими как панели оператора, GSM-модули, частотные преобразователи, серверы сбора данных и др.

ПЛК могут иметь распределённую структуру, когда модули входов и выходов находятся на значительном удалении от самого контроллера, вблизи объекта управления. Несколько ПЛК, управляющие разными частями одной системы, могут объединяться в сеть для обмена информаций и согласования управляющих действий, а так же передачи всей информации о системе в центральный диспетчерский пункт.

В этих случаях обмен удалённых модулей и устройствами с ПЛК осуществляется по цифровым интерфейсам с использованием специализированных протоколов, таких как Modbus RTU, ModBus TCP, CANopen, Profibus, EtherNet IP и других.

Что такое рабочий цикл микроконтроллера?

Управление требует непрерывного циклического контроля. В любом цифровом устройстве непрерывность достигается путем реализации дискретных алгоритмов, которые повторяются через очень малые промежутки времени. Таким образом, все вычисления в программируемом логическом контроллере ПЛК происходят циклически. Одну итерацию, которая включает в себя обсчет, замер, а также выработку логического решения, называют рабочим циклом ПЛК или рабочим циклом микроконтроллера. Действия, которые будут выполнятся ПЛК, напрямую зависят от состояния предыдущего входов и программы, которую он реализует.

При подаче питания на микроконтроллер он выполняет самотестирование и настройку необходимых аппаратных ресурсов, очистку оперативной памяти (ОЗУ), выполняет контроль целостности программы пользователя. В случае, когда пользовательская программа сохранена в памяти ПЛК, контроллер переходит к основной работе, которая состоит из постоянно повторяющихся определенных действий, которые входят в рабочий цикл.

В свою очередь, рабочий цикл микроконтроллера или ПЛК можно разделить на следующие этапы:

• Начало цикла;
• Обработка входов (чтение информации из внешних источников);
• Выполнение пользовательской программы;
• Установка выходов (запись выходов);
• Обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК;
• Монитор исполнения;
• Контроль времени цикла;
• Переход на начало цикла;

Таким образом, в самом начале цикла происходит процесс физического считывания значений на входах микроконтроллера. Полученные в процессе чтения данные сохраняются в области памяти входов, создавая тем самым полную одномоментную зеркальную копию значений входов.

После чего начинается процесс выполнения пользовательской программы, которая работает с копиями значений входов и выходов, размещенных в оперативной памяти. Если программа пользователя не загружена или остановлена самим пользователем, то описанные выше действия не выполняются. Отладчик программатора имеет доступ к образу входов-выходов, что позволяет проводить исследовательские работы и управлять выходами вручную.

После выполнения кода программы выходы ПЛК устанавливаются в соответствии с полученными расчетными значениями.

Обслуживание аппаратных ресурсов – это обеспечение работы оперативного самотестирования, системных таймеров, индикации состояния, часов реального времени и других функций.

Монитор системы исполнения – это огромное количество функций, необходимых для обеспечения взаимодействия со средой программирования и отладки программы, а также для работы с сервером и сетью. В функцию системы исполнения обычно входит – загрузка кода программы пользователя в электрически перепрограммируемую память и оперативную память ОЗУ, обеспечения просмотра и редактирования переменных, контроль времени цикла, управление последовательностью реализации задач, пошаговое управление и другие функции.

Программа, загруженная пользователем или пользовательская программа, работает только с мгновенными копиями входов. Соответственно значения входов в процессе выполнения одного цикла изменятся не будут. Этот принцип является фундаментальным для построения ПЛК сканирующего типа. При использовании данного подхода исключается неоднозначность алгоритма обработки данных в разных его ветвях. Более того, процесс чтения значения входа производится из ОЗУ, а не непосредственно с самого входа, что значительно ускоряет процесс обработки данных.

Временем сканирования называют общую продолжительность рабочего цикла микроконтроллера. Время сканирования во многом зависит от длины фазы пользовательской программы. Время, которое занимается остальными фазами рабочего цикла практически всегда остается постоянным. Для задач среднего объема в ПЛК с системой исполнения CoDeSys время распределится примерно таким образом – 98% программа пользователя и 2% остальные задачи.

Также существуют задачи, в которых плавающее время цикла может оказывать очень существенное влияние на результат – например, системы автоматического регулирования. Для устранения этих проблем у многих микроконтроллерах предусмотрен контроль времени цикла. При слишком быстром исполнении кода программы в рабочий цикл искусственным путем добавляют время задержки, а в случае отсутствия контроля времени цикла подобные задачи реализуют исключительно на таймерах.

6.1. Программируемые логические контроллеры

Жесткие ограничения на стоимость и огромное разнообразие целей автоматизации привели к невозможности создания универсального ПЛК, как это случилось с офисными компьютерами. Область автоматизации выдвигает множество задач, в соответствии с которыми развивается и рынок, содержащий сотни непохожих друг на друга контроллеров, различающихся десятками параметров. Каждый производитель выпускает несколько типов ПЛК разной мощности и стоимости, чтобы увеличить прибыль за счет сегментирования рынка.

Выбор оптимального для конкретной задачи контроллера основывается обычно на соответствии функциональных характеристик контроллера решаемой задаче при условии минимальной его стоимости. Учитываются также другие важные характеристики (температурный диапазон, надежность, бренд изготовителя, наличие разрешений Ростехнадзора, сертификатов и т. п.).

Несмотря на огромное разнообразие контроллеров, в их развитии заметны следующие общие тенденции:

• уменьшение габаритов;
• расширение функциональных возможностей;
• увеличение количества поддерживаемых интерфейсов и сетей;
• использование идеологии "открытых систем";
• использование языков программирования стандарта МЭК 61131-3;
• снижение цены.

Еще одной тенденцией является появление в контроллерах признаков компьютера (наличие мыши, клавиатуры, монитора, ОС Windows, возможности подключения жесткого диска), а в компьютерах — признаков контроллера (расширенный температурный диапазон, электронный диск, защита от пыли и влаги, крепление на DIN-рейку, наличие сторожевого таймера, увеличенное количество коммуникационных портов, использование ОС жесткого реального времени, функции самотестирования и диагностики, контроль целостности прикладной программы). Появились компьютеры в конструктивах для жестких условий эксплуатации. Аппаратные различия между компьютером и контроллером постепенно исчезают. Основными отличительными признаками контроллера остаются его назначение и наличие технологического языка программирования.

6.1.1. Типы ПЛК

Для классификации огромного разнообразия существующих в настоящее время контроллеров рассмотрим их существенные различия.

Основным показателем ПЛК является количество каналов ввода-вывода. По этому признаку ПЛК делятся на следующие группы:

• нано-ПЛК (менее 16 каналов);
• микро-ПЛК (более 16, до 100 каналов);
• средние (более 100, до 500 каналов);
• большие (более 500 каналов).

По расположению модулей ввода-вывода ПЛК бывают:

• моноблочными — в которых устройство ввода-вывода не может быть удалено из контроллера или заменено на другое. Конструктивно контроллер представляет собой единое целое с устройствами ввода-вывода (например, одноплатный контроллер). Моноблочный контроллер может иметь, например, 16 каналов дискретного ввода и 8 каналов релейного вывода;
• модульные — состоящие из общей корзины (шасси), в которой располагаются модуль центрального процессора и сменные модули ввода-вывода. Состав модулей выбирается пользователем в зависимости от решаемой задачи. Типовое количество слотов для сменных модулей — от 8 до 32;
• распределенные (с удаленными модулями ввода-вывода) — в которых модули ввода-вывода выполнены в отдельных корпусах, соединяются с модулем контроллера по сети (обычно на основе интерфейса RS-485) и могут быть расположены на расстоянии до 1,2 км от процессорного модуля.

Часто перечисленные конструктивные типы контроллеров комбинируются, например, моноблочный контроллер может иметь несколько съемных плат; моноблочный и модульный контроллеры могут быть дополнены удаленными модулями ввода-вывода, чтобы увеличить общее количество каналов.

Многие контроллеры имеют набор сменных процессорных плат разной производительности. Это позволяет расширить круг потенциальных пользователей системы без изменения ее конструктива.

По конструктивному исполнению и способу крепления контроллеры делятся на:

• панельные (для монтажа на панель или дверцу шкафа);
• для монтажа на DIN-рейку внутри шкафа;
• для крепления на стене;
• стоечные — для монтажа в стойке;
• бескорпусные (обычно одноплатные) для применения в специализированных конструктивах производителей оборудования (OEM — "Original Equipment Manufact urer").

По области применения контроллеры делятся на следующие типы:

• универсальные общепромышленные;
• для управления роботами;
• для управления позиционированием и перемещением;
• коммуникационные;
• ПИД-контроллеры;
• специализированные.

По способу программирования контроллеры бывают:

• программируемые с лицевой панели контроллера;
• программируемые переносным программатором;
• программируемые с помощью дисплея, мыши и клавиатуры;
• программируемые с помощью персонального компьютера.

Контроллеры могут программироваться на следующих языках:

• на классических алгоритмических языках (C, С#, Visual Basic);
• на языках МЭК 61131-3.

Контроллеры могут содержать в своем составе модули ввода-вывода или не содержать их. Примерами контроллеров без модулей ввода-вывода являются коммуникационные контроллеры, которые выполняют функцию межсетевого шлюза, или контроллеры, получающие данные от контроллеров нижнего уровня иерархии АСУ ТП.

6.1.2. Архитектура

Архитектурой контроллера называют набор его основных компонентов и связей между ними. Типовой состав ПЛК включает центральный процессор, память, сетевые интерфейсы и устройства ввода-вывода (рис. 6.1). Иногда эта конфигурация дополняется устройством для программирования и пультом оператора, устройствами индикации, реже — принтером, клавиатурой, мышью или трекболом.

Процессорный модуль включает в себя микропроцессор (центральное процессорное устройство — ЦПУ), запоминающие устройства, часы реального времени и сторожевой таймер. Термины "микропроцессор" и "процессор" в настоящее время стали синонимами, поскольку все вновь выпускаемые процессоры выполняются в виде СБИС, т.е. являются микропроцессорами.

Основными характеристиками микропроцессора являются разрядность (в ПЛК используются 8-ми, 16-ти и 32-разрядные микропроцессоры), тактовая частота, архитектура, наличие операций с плавающей точкой, типы поддерживаемых портов ввода-вывода, температурный диапазон работоспособности и потребляемая мощность.

Производительность микропроцессоров с одной и той же архитектурой пропорциональна тактовой частоте. Большинство контроллеров используют микропроцессоры с сокращенным набором команд (RISC — Reduced Instruction Set Computing), в которых используется небольшое количество команд одинаковой длины и большое количество регистров. Сокращенный набор команд позволяет строить более эффективные компиляторы и конвейер процессора, способный за каждый такт выдавать результат исполнения очередной команды [Корнеев].

Для контроллеров, выполняющих интенсивную математическую обработку данных, важно наличие математического сопроцессора (вспомогательного процессора, выполняющего операции с плавающей точкой) или сигнальных процессоров, в которых операции типа Y=A*B+X выполняются за один такт. Сигнальные процессоры позволяют ускорить выполнение операций свертки или быстрого преобразования Фурье.

Емкость памяти определяет количество переменных (тегов), которые могут быть обработаны в процессе функционирования ПЛК. В микропроцессорах время доступа к памяти является одним из существенных факторов, ограничивающих быстродействие. Поэтому память делят на несколько уровней иерархии, в зависимости от частоты использования хранящихся в ней данных и быстродействия. Иерархия памяти относится к существенным характеристиками архитектуры процессора, поскольку она позволяет снизить отрицательное влияние медленной памяти на быстродействие микропроцессора. Основными типами памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и набор регистров. Регистры являются самыми быстродействующими элементами памяти, поскольку они используются арифметико-логическим устройством (АЛУ) для исполнения элементарных команд процессора. ПЗУ используют для хранения редко изменяемой информации, такой, как операционная система, драйверы устройств, загрузчик, исполняемый модуль программы пользователя. ОЗУ используется для хранения данных, которые многократно изменяются в процессе работы контроллера, например, значения тегов, результаты промежуточных вычислений, диагностическая информация, массивы, выводимые на графики, данные для отображения на дисплее.

Рис. 6.1. Типовая архитектура ПЛК

В качестве ПЗУ (или ROM — "Read Only Memory") обычно используется электрически стираемая перепрограммируемая память (EEPROM — "Electrically Erasable Programmable ROM". Разновидностью EEPROM является флэш-память, принцип действия которой основан на хранении заряда в конденсаторе, образованном плавающим затвором и подложкой МОП-транзистора. Особенностью флэш-памяти является ее энергонезависимость, т.е. сохраняемость данных при выключенном питании. Стирание и перезапись во флэш-памяти выполняется не отдельными ячейками, а большими блоками, поэтому она получила название, происходящее от английского "flash" — "вспышка" . Недостатком всех ПЗУ является низкое быстродействие.

Количество циклов записи информации во флэш-память ограничено и составляет несколько десятков тысяч раз. По конструктивному исполнению и интерфейсам флэш-память подразделяется на Compact Flash (CF), Memory Stick, Secure Digital (SD), MuliMediaCard (MMC), RS-MMC, SmartMedia Card (SMC), USB-flash. Флэш-память может быть впаяна в печатную плату или быть съемной.

В качестве ОЗУ современные микропроцессоры используют статическую память ( SRAM — Static Random Access Memory) и динамическую (DRAM — "Dynamic Random Access Memory"), SDRAM ("Synchronous DRAM"). SRAM выполняется на триггерах, информация в которых сохраняется неограниченно долго при наличии питания. В динамической памяти информация хранится на конденсаторах и поэтому DRAM требует периодической регенерации (перезарядки конденсаторов). К недостаткам триггерной памяти относится ее высокая стоимость, связанная с низкой плотностью компоновки триггеров на кристалле, и малое отношение емкости к цене. Достоинством является высокое быстродействие, достигающее гигагерц, в то время как память на конденсаторах не может работать на частотах выше сотен герц. Оба типа памяти (DRAM и SRAM) не могут сохранять информацию при отключении питания ПЛК. Поэтому некоторые типы ПЛК используют батарейное питание памяти для сохранения работоспособности системы автоматизации после кратковременного прерывания питания.

Моноблочные и модульные контроллеры используют, как правило, параллельную шину для обмена данными с модулями ввода-вывода, что позволяет на порядок повысить быстродействие их опроса по сравнению с последовательной шиной. Параллельные шины могут быть стандартными (ISA, PC/104, PCI, ComactPCI, VME, CXM) или частнофирменными. Последовательная шина контроллера (на основе интерфейса RS-485) используется для подключения к нему удаленных (распределенных) модулей ввода-вывода.

Программирование контроллеров малой мощности выполняется с помощью кнопок, расположенных на лицевой панели или с помощью переносного пульта для программирования. В качестве пульта в последнее время используется компьютер формата "ноутбук". Программирование мощных контроллеров выполняется с помощью персонального компьютера, на котором устанавливается специальное программное обеспечение, например CoDeSys или ISaGRAF (см. раздел "Программное обеспечение"), выполняющее трансляцию технологического языка стандарта МЭК 61131-3 в исполняемый код процессора, который загружается в ПЗУ ПЛК, например, через порт Ethernet.

Сторожевой таймер (Watchdog Timer — WDT) представляет собой счетчик, который считает импульсы тактового генератора и в нормальном режиме периодически сбрасывается (перезапускается) работающим процессором. Если процессор "зависает", то сигналы сброса не поступают в счетчик, он продолжает считать и при достижении некоторого порога вырабатывает сигнал "Сброс" для перезапуска "зависшего" процессора.

Часы реального времени (РВ) представляют собой кварцевые часы, которые питаются от батарейки и поэтому продолжают идти при выключенном ПЛК. Часы РВ используются, например, для управления уличным освещением в зависимости от времени суток, в системах охраны объектов и других случаях, когда необходима привязка данных или событий к астрономическому времени.

Процессорный модуль

Процессорный модуль ПЛК выполняет следующие задачи:

• собирает данные из модулей ввода в память и отсылает данные из памяти в модули вывода;
• выполняет обмен данными с устройством для программирования контроллера;
• выдает метки часов реального времени;
• осуществляет обмен данными с промышленной сетью;
• реализует стек протоколов промышленной сети (для этой цели могут использоваться вспомогательные коммуникационные процессоры);
• выполняет начальную загрузку и исполнение операционной системы;
• исполняет загрузочный модуль пользовательской программы системы автоматизации;
• управляет актами обмена с памятью.

Одной из тенденций в развитии ПЛК является использование процессорных модулей разной мощности для одного конструктива контроллера. Это позволяет получить серию контроллеров разной мощности и тем самым покрыть больший сегмент рынка, а также выполнить модернизацию (upgrade) контроллеров, купленных потребителями, путем замены всего одного модуля.

К основным характеристикам процессорного модуля относятся:

• тип операционной системы (Windows CE, Linux, DOS, OS-9, QNX и др.);
• наличие исполнительной среды для стандартной системы программирования на языках МЭК 61131-3;
• типы поддерживаемых интерфейсов (RS-232, RS-422, RS-485, CAN, USB, Ethernet и др.);
• типы поддерживаемых сетей (Modbus RTU, Modbus TCP, Ethernet, Profibus, CANopen, DeviceNet и др.);
• возможность подключения устройств индикации или интерфейса оператора (светодиодного или ЖКИ индикатора, клавиатуры, мыши, дисплея с интерфейсами VGA, DVI или CMOS, LVDS, трекбола и др.);
• разрядность (8, 16, 32 или 64 бита);
• тактовая частота микропроцессора и памяти;
• время выполнения команд;
• объем, иерархия и типы памяти (ОЗУ, кэш, ПЗУ — флэш, съемная флэш и др.);
• типы встроенных функций (ПИД-регулятор, счетчики, ШИМ, алгоритмы позиционирования и управления движением и др.);
• бренд производителя (Intel, AMD, Atmel, Motorola, RealLab! и др.).

Быстродействие процессорного модуля ПЛК обычно оценивают по времени выполнения логических команд, поскольку они наиболее распространены при реализации алгоритмов управления.

Огромное разнообразие задач, возлагаемых на ПЛК, и сильная зависимость цены от мощности контроллера явились причиной большого разнообразия используемых микропроцессоров, от простых и дешевых 8-разрядных Atmel и Microchip до самых высокопроизводительных микропроцессоров серии Intel Pentium, включая двухъядерные и четырехъядерные процессоры.

Восьмиразрядные микропроцессоры пользуются большим успехом в автономных ПИД-контроллерах и микро-ПЛК для несложного алгоритмического управления станками, теплицами, небольшими технологическими аппаратами, в качестве межсетевых шлюзов. Их достоинством является высокая надежность, связанная с предельной простотой программного обеспечения.

Обычно микропроцессоры, используемые в ПЛК, на несколько поколений отстают от процессоров офисных персональных компьютеров (ПК) в связи с относительно малым объемом рынка ПЛК, который не обеспечивает окупаемость разработки нового контроллера за период смены поколений микропроцессоров.

Источник питания

Стандартными напряжениями питания ПЛК являются напряжения 12 В, 24 и 48 В. Источником электрической энергии обычно является промышленная сеть 220В, 50 Гц. В случае распределенных систем автоматизации источник питания может быть расположен вдали от ПЛК, поэтому напряжение на клеммах ПЛК или модулей ввода-вывода может сильно отличаться от напряжения источника питания вследствие падения напряжения на сопротивлении кабеля. Для решения этой проблемы каждый ПЛК или каждый модуль удаленного ввода снабжаются встроенным стабилизатором напряжения, который обеспечивает нормальное их функционирование в диапазоне напряжений от 10 до 30 В.

Низкое напряжение питания позволяет питать контроллеры от аккумуляторов бортовых сетей транспортных средств или переносных аккумуляторов.

В ПЛК иногда используют батарею для питания часов реального времени (которые должны функционировать при выключенном ПЛК) и для сохранения информации в ПЗУ на время аварийных перерывов питания.

6.1.3. Характеристики

Производительность ПЛК оценивается по следующим параметрам:

• длительность контроллерного цикла (период считывания значений из каналов ввода, обработки в процессоре и записи в каналы вывода);
• время выполнения команд (отдельно логических, с фиксированной и с плавающей точкой);
• пропускная способность шины между контроллером и модулями ввода-вывода;
• пропускная способность промышленной сети;
• время цикла опроса всех контроллеров в одномастерной сети или цикл обращения маркера для многомастерных сетей с маркером (см. раздел "Промышленные сети и интерфейсы");
• время реакции.

Контроллер в системах автоматизации выполняет циклический алгоритм, включающий ввод данных и размещение их в ОЗУ, обработку данных и вывод. Длительность контроллерного цикла (его еще называют рабочим циклом) зависит от количества модулей ввода-вывода и наличия в них замаскированных (исключенных из процедуры обмена) входов-выходов, поэтому рассчитывается для каждой конфигурации автоматизированной системы отдельно. При интенсивной математической обработке данных (например, при цифровой фильтрации, интерполяции или идентификации объекта управления в режиме нормального функционирования системы) длительность контроллерного цикла существенно зависит от быстродействия процессорного модуля. В контроллерный цикл входит также обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК (обеспечение работы системных таймеров, оперативное самотестирование, индикация состояния), контроль времени цикла [Петров], сетевой обмен, управление многозадачностью, отображение процесса выполнения программы на дисплее и т. п.

Перед началом работы ПЛК выполняет загрузку операционной системы и программы пользователя в ОЗУ и ПЗУ, начальное тестирование аппаратуры. ПЛК обычно может работать в режиме отладки, пошагового выполнения программы, просмотра и редактирования значений переменных и т. п.

В процессе функционирования ПЛК данные, введенные из устройств ввода, располагаются в ОЗУ и в течение рабочего цикла контроллера не изменяются. Прямое чтение входа во время выполнения одного цикла не выполняется. Это ускоряет процесс обработки данных и исключает непредвиденные ситуации [Петров].

В системах с распределенными по объекту модулями ввода-вывода длительность контроллерного цикла может определяться пропускной способностью промышленной сети, что в ряде случаев является ограничением на предельное количество модулей ввода-вывода.

Требования к длительности контроллерного цикла существенно зависят от области применения ПЛК. При управлении тепловыми процессами длительность цикла может составлять единицы и десятки секунд, в задачах для управления станками она измеряется миллисекундами, при опросе датчиков температуры на элеваторе контроллерный цикл измеряется сутками.

Время реакции контроллера — это интервал времени от момента появления воздействия на систему (со стороны модулей ввода или оператора) до момента выработки соответствующей реакции. Время реакции зависит от длительности рабочего цикла контроллера, которое определяется быстродействием модулей ввода-вывода и производительностью процессора.

В контроллерах для ответственных применений могут быть предусмотрены следующие функции самодиагностики (см. также раздел "Аппаратное резервирование"):

• обнаружение ошибок центрального процессора;
• сигнализация о срабатывании сторожевого таймера;
• обнаружение отказа батареи или источника питания;
• обнаружение сбоя памяти;
• проверка программы пользователя;
• обнаружение выхода из строя предохранителя;
• обнаружение обрыва или к. з. в цепи датчика и нагрузки.

В контроллерах для систем противоаварийной защиты (ПАЗ) и сигнализации, а также для опасных промышленных объектов может быть предусмотрена возможность резервирования отдельных частей системы: промышленной сети, процессорного модуля или контроллера, источника питания, сетевого сервера, замкнутых контуров автоматического регулирования, модулей ввода-вывода. Объектом резервирования обычно является наиболее ответственная или наиболее ненадежная часть системы (подробнее см. раздел "Аппаратное резервирование").

Возможность горячей замены элементов системы (т.е. без отключения питания) достигается одновременно аппаратными и программными средствами. Аппаратно предусматривается независимость начального состояния устройства от очередности подачи сигналов на его клеммы в процессе замены; программно обеспечивается возможность временного отсутствия компонента системы без ее зависания или перехода в аварийные режимы, подробнее см. раздел "Аппаратное резервирование", п. "Общие принципы резервирования".

Надежность контроллеров характеризуется наработкой на отказ, которая определяется как отношение суммарного времени работоспособного состояния контроллера к математическому ожиданию числа его отказов в течение этого времени (ГОСТ 27.002-89) или наработкой до отказа — временем от начала эксплуатации до первого отказа. Надежность связана с допустимыми механическими перегрузками — амплитудой вибрации в требуемом диапазоне частот, допустимым ускорением при ударе.

Табл. 6.30. Значения цифр в обозначении IP степени защиты

Степень защиты. Краткое описание

Первая цифра

Защита от пыли. Проникновение пыли исключено не полностью, однако пыль не должна проникать в количестве, достаточном для нарушения нормальной работы оборудования или снижения его безопасности

Пыленепроницаемость. Пыль не проникает в оболочку

Защита при погружении в воду

Защита при длительном погружении в воду

Для повышения безопасности систем автоматизации в контроллерах используются команды для установки начального состояния выходов сразу после подачи питания или в аварийном режиме. Эти состояния выбираются таким образом, чтобы после восстановления напряжения питания при случайном его прерывании или в аварийном режиме системы исполнительные устройства находились в безопасном для персонала или системы состоянии. Например, в системах с нагревом безопасным будет состояние отключенного нагревателя, в подъемных механизмах — состояние торможения. Наличие команд управление безопасными состояниями позволяет реализовать операцию автоматического рестарта автоматизированной системы после прерывания питания или после восстановления работоспособного состояния. Способность контроллера переводить свои выходы в заранее определенное состояние сразу после обнаружения снижения напряжения питания или после внутреннего отказа называется отказоустойчивым отключением [ГОСТ].

Если повторный запуск ПЛК выполняется после того, как все динамические данные (переменные входов-выходов, состояние внутренних регистров, таймеров, счетчиков, программные контексты) были возвращены в заранее определенное состояние, то такой запуск называется холодным рестартом [ГОСТ]. Холодный рестарт может быть как ручным, так и автоматическим.

Горячим рестартом [ГОСТ] называют повторный запуск ПЛК, который выполняется настолько быстро после пропадания питания, что все динамические переменные не успевают измениться и поэтому работоспособность восстанавливается таким образом, будто питания не пропадало.

Теплым рестартом называют повторный запуск после обнаружения неисправности питания с заранее определенным и программируемым пользователем множеством динамических данных и системным контекстом* прикладной программы. Теплый рестарт характеризуется сигнализацией состояния или эквивалентными средствами, позволяющими убедиться в том, что прикладная программа зарегистрировала прекращение неисправности питания, обнаруженное конфигурацией ПЛК в режиме пуска [ГОСТ].

Помехоустойчивость контроллера обычно оценивается по его соответствию комплексу стандартов по электромагнитной совместимости (см. раздел "Защита от помех").

Промышленные контроллеры используют гальваническую изоляцию [Денисенко] для устранения паразитных связей по общему проводу, земле и для защиты оборудования от высоких напряжений.

Степень защиты от воздействия окружающей среды, обеспечиваемая корпусом контроллера, классифицируется ГОСТ 14254-96. Для обозначения степени защиты используются две буквы "IP", за которыми следуют две цифры. Первая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания внутрь твердых посторонних тел, вторая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания воды. Расшифровка обозначений приведена в табл. 6.30, примеры корпусов показаны на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Контроллер в корпусе со степенью защиты IP20 (а) и IP66 (б)

При выборе контроллера желательно оценивать степень его соответствия идеологии "открытых систем" (см. раздел "Архитектура автоматизированой системы" чтобы не попасть в зависимость от одного поставщика и иметь возможность модифицировать систему по мере необходимости.

Важным параметром ПЛК является время от заказа до поставки и наличие нескольких независимых поставщиков. Для России этот параметр имеет особое значение, поскольку большую долю рынка занимают контроллеры иностранного производства, для которых длительность поставки и гарантийной замены исчисляется месяцами. Большие сроки поставки объясняются как удаленностью производителя от потребителя, так и стремлением производителей и поставщиков минимизировать внутренние издержки за счет уменьшения складских запасов.

Качество пользовательской документации, наличие группы технической поддержки, скорость реакции на запросы, наличие курсов для обучения потребителей играют также важную роль при выборе контроллера из огромного их многообразия.

Технические параметры широкого спектра контроллеров различных производителей можно найти в книге [Анашкин].

6.1.4. Пример ПЛК

В качестве примера рассмотрим ПЛК NLcon-CE [Денисенко] продвигаемый фирмой "RealLab!". Контроллер построен на базе мощного (для ПЛК) процессора PXA-255 фирмы Intel и работает с удаленными модулями ввода-вывода через интерфейс RS-485 по протоколу Modbus RTU или DCON.

Основными отличительными характеристиками ПЛК являются следующие:

• соответствие идеологии открытых систем;
• малые габаритные размеры: 120х75х35 мм;
• мощный процессор Intel XScale PXA270 520 МГц;
• большая емкость памяти: ОЗУ 64/128 Мбайт, системная флэш-память 32/64 Мбайт, флеш-карта SD до 2 Гбайт;
• широкий температурный диапазон (от -25 °С или от -40 °С до +70 °С);
• поддержка дисплея, мыши, клавиатуры.

Центральный процессор (рис. 6.3) управляет ОЗУ, ЭППЗУ, ЖКИ дисплеем и внешними портами с помощью вспомогательных контроллеров ввода-вывода, исполняя ОС Windows CE и программу пользователя, написанную с помощью пакета CoDeSys.

Вспомогательный контроллер ("компаньон")ITE I8152 управляет двумя портами и контроллером Realtek, который реализует стек протоколов Ethernet. Два порта RS-485 выполнены на основе контроллера Atmega 164 P с использованием двух UART процессора PXA-255.

ЖКИ дисплей подключаетсяc непосредственно к ЦП с помощью плоского кабеля, через параллельный интерфейс CMOS. Мышь и клавиатура подключаются к ПЛК с помощью двух USB портов, которые могут быть использованы также для подключения съемной USB-флэш памяти.

Контроллер выполнен полностью по идеологии открытых систем. Признаками открытости являются:

• стандартный интерфейс RS-485;
• протоколы Modbus RTU и DCON;
• поддержка Ethernet;
• работа под ОС РВ Windows CE;
• программирование на языках C++, Visual Basic, C#;
• программирование на 5-ти языках МЭК 61131-3 с помощью CoDeSys;
• ОРС сервер, функционирующий в среде Windows CE;
• стандартная мышь и клавиатура;
• крепление на DIN-рейку.

Рис. 6.3. Архитектура ПЛК NLcon-CE

Характеристики процессора:

• 32-разряда, набор команд ARM версии 5TE ISA, с ядром (микроархитектурой) XScale;
• суперконвейерная архитектура процессора;
• тактовая частота процессора 520 МГц;
• тактовая частота системной шины 100 МГц;
• скоростной интерфейс с флэш-памятью;
• имеет режимы пониженного потребления;
• кэш-память процессора емкостью 32 Кб для данных и 32 Кб для команд;
• мини-кэш емкостью 2 Кб для обработки потока данных;
• контроллер флэш-памяти с тактовой частотой шины 100 МГц;
• сопроцессор для одновременного умножения двух 16-битных чисел с 40-битным накопителем. Соединен с центральным процессором 32-разрядной шиной;
• поддержка USB v.1.1 — 2 шт;
• сторожевой таймер.

Характеристики ПЛК:

• два порта RS-485 с индивидуальной гальванической развязкой (протоколы Modbus RTU, DCON);
• один порт USB для мыши, клавиатуры, флэш-диска, принтера;
• один порт Ethernet 10/100Base-T с гальванической развязкой;
• системная флэш-память емкостью 16/32 Мб;
• SDRAM емкостью 32/64 Мб;
• параллельный CMOS интерфейс для подключения TFT LCD дисплея, сенсорного эерана;
• энергонезависимые часы реального времени и 2 счетчика внешний событий (ТТЛ уровни);
• съемная USB флэш память;
• потребляемый ток: 600 мА;
• влажность воздуха от 10 до 90% без конденсации влаги.

Программное обеспечение

Благодаря наличию ОС жесткого реального времени Windows CE 4.2, поддерживающей DCOM, ПЛК может исполнять программы, написанные на языках C++, C#, Visual Basic с применением ОРС сервера. Разработка ПО выполняется в среде Visual Studio Embedded или Visual Studio.NET. Пять языков технологического программирования МЭК 61131-3 поддерживаются с помощью бесплатной системы программирования CoDeSys. ОС Windows CE может быть загружена из встроенной флэш-памяти, а также из Platform Builder через Ethernet порт по протоколу FTP.

6.1.5. Устройства сбора данных

Автоматизированные системы сбора данных [Денисенко] в настоящее время являются общедоступным средством получения экспериментальной информации и связано это, в первую очередь, с широким распространением персональных компьютеров. Системы сбора данных находят применение для научных исследований, управления производственными процессами, мониторинга в промышленности, медицине, метеорологии, космонавтике и других областях человеческой деятельности. Автоматизированный сбор данных позволяет получить данные нового качества, которые невозможно получить иными средствами. Это результаты статистической обработки огромного числа измерений, полученных в цифровой форме, возможность регистрации случайно появляющихся событий с недостижимой ранее разрешающей способностью по времени и амплитуде, регистрация быстроизменяющихся процессов. Благодаря резкому удешевлению систем сбора данных по сравнению со стоимостью человеческого труда появилось большое количество областей применения, где ранее использовалась ручная регистрация данных: в теплицах, элеваторах, на метеостанциях, в процессе приемо-сдаточных и сертификационных испытаний продукции, на складах, в промышленных холодильниках, при автоматизации научного эксперимента и т. п.

Основным отличием систем сбора данных от ПЛК является отсутствие в них алгоритма управления, т.е. отсутствие необходимости в мощном контроллере и языке МЭК 61131-3, а также наличие большого объема памяти для ведения архива. Хотя системы сбора данных можно построить на любом ПЛК, но в связи с указанными выше особенностями они занимают отдельный сегмент рынка и их выделяют в отдельную группу средств автоматизации.

Системы сбора данных могут применяться в реальном времени, например, для мониторинга (наблюдения) различных процессов, идентификации аварийных ситуаций в технологических процессах, а также могут применяться для архивирования данных, когда их обработка отделена от процесса сбора неопределенным интервалом времени. В системах реального времени текущие данные сохраняются в течение некоторого заданного времени в кольцевом буфере, откуда устаревшие данные вытесняются вновь поступившими. В архивирующих системах используются накопители информации большой емкости и данные обрабатываются после завершения сбора.

Архивирующие системы сбора данных (логгеры, самописцы) могут быть автономными устройствами, построенными на основе микроконтроллера (например, бортовые самописцы самолетов, электронные счетчики тепла или электроэнергии, портативные электрокардиографы). Данные, собранные логгерами, для обработки переносятся в компьютер с помощью, например, USB флэш-памяти или через последовательный интерфейс.

Системы сбора данных, построенные на основе компьютера, обычно являются стационарными и используют универсальное программное обеспечение, такое как Matlab, LabView, MS Excel [Денисенко], которое позволяет не только собрать данные, но и обработать их.

Для регистрации быстропротекающих процессов (с требуемой частотой отсчетов более 1 МГц) используются системы с параллельной шиной, в том числе платы для шины PCI компьютера. Компьютерные платы имеют ограниченное количество входов, что определяется компьютерным конструктивом, и требуют внешних клеммных блоков для подсоединения источников сигнала, создавая неудобства при монтаже системы.

Для регистрации медленных процессов удобнее внешние устройства, подключаемые к компьютеру через СОМ, USB или Ethernet порт. Внешние устройства отличаются также меньшим уровнем шумов, в то время как платы, вставляемых в компьютер, подвержены влиянию наводок от цифровых цепей компьютера.

Система сбора данных может быть распределенной, когда устройства ввода распределены территориально по объекту сбора данных, а полученные данные сходятся к единому накопителю и обработчику данных с помощью сетевых технологий. Сетевые (распределенные) системы сбора данных имеют свойство практически неограниченной наращиваемости числа каналов, однако имеют ограничение на скорость передачи данных по сети.

Для типовых задач сбора данных промышленностью выпускаются устройства с небольшим количеством входов (от нескольких десятков до нескольких сотен). Для больших систем (от единиц до сотен тысяч входов) разрабатываются специализированные системы. К ним можно, например, отнести систему "Грейн" [Бабенко] для температурного мониторинга элеваторов, которая собирает данные с нескольких тысяч датчиков температуры, или систему "COMPASS" [H. Fischer], собирающую данные с 250 тыс. датчиков в ядерном центре CERN со скоростью 160 Мбит/с.

Входы систем сбора данных могут быть универсальными (потенциальными и токовыми), или специализированными (например, для термопар, для термопреобразователей сопротивления или для тензодатчиков). Системы со специализированными входами экономически более эффективны для потребителя. Универсальные входы используются совместно с измерительными преобразователями физических величин в ток или напряжение. Существуют также системы с гибридными входами, например, когда несколько входов принимают сигналы термопар, другие входы — сигналы тензодатчиков, третьи — сигналы термометров сопротивления и т. д.

Входы могут быть дифференциальными, одиночными, цифровыми или дискретными (двоичными). Дифференциальные входы позволяют более эффективно подавлять внешние помехи, наводимые на кабель, передающий сигнал от датчика к модулю ввода [Денисенко]. Для передачи сигнала чаще всего используется напряжение в диапазоне 0. ±5 В., 0. ±10 В или ток 0. 20 мА, 4. 20 мА. Сигналы напряжения вырабатываются источниками напряжения и имеют высокую помехоустойчивость к емкостным наводкам, сигналы тока вырабатываются источниками тока и устойчивы к индуктивным наводкам [Денисенко]. Дискретные входы принимают логические сигналы ("0" или "1"), которые поступают от концевых выключателей, датчиков охранной или пожарной сигнализации, электромагнитных реле, датчиков наличия напряжения и т. п. Цифровые входы принимают сигналы от устройств с цифровым выходом, например, от цифровых датчиков температуры.

Основными параметрами систем сбора данных являются количество каналов, погрешность, динамическая погрешность, время установления или полоса пропускания, разрешающая способность, эффективное число разрядов, частота дискретизации, наличие гальванической изоляции входов и интерфейса, наличие защит от небрежного использования, перегрузок и перегрева.

Системы сбора данных обычно имеют 4, 8, 16, 32, 64 . входа, которые опрашиваются по очереди или одновременно. Системы с одновременным опросом состоят из идентичных каналов, которые выполняют аналого-цифровое преобразование входной величины параллельно, т.е одновременно для всех каналов. Такие системы встречаются редко по причине высокой стоимости. Обычно опрос входов выполняется по очереди, с помощью коммутатора. Поэтому данные разных каналов оказываются сдвинутыми по времени на некоторую задержку, равную отношению периода опроса к количеству каналов.

Примером системы сбора данных может служить серия систем сбора данных RealLab! [Денисенко] построенная по модульному принципу, т.е. систему с необходимым количеством входов можно собрать из модулей — отдельных строительных блоков. Модули соединяются между собой с помощью промышленного интерфейса RS-485 и располагаются либо в общем монтажном шкафу, либо распределены по объекту сбора данных таким образом, чтобы уменьшить длину кабеля от датчика к модулю. Собранные данные в цифровой форме передаются по промышленной сети в центральный компьютер или контроллер. Модули RealLab! могут работать в стандартных сетях Modbus RTU или в стандартной де-факто сети DCON, имеют открытый протокол обмена. Каждый модуль в сети имеет свой адрес, поэтому для опроса модулей компьютер посылает им команду, содержащую адрес и код операции, которую необходимо выполнить.

Приближение модулей ввода к датчикам имеет несколько преимуществ. Во-первых, сокращается количество проводов, поскольку цифровой интерфейс RS-485 имеет только два провода, а передает данные от большого количества модулей. Это удобно при сборе данных с территориально распределенных объектов, например, при сборе данных о температуре и влажности в теплице, которая имеет площадь 10 Га, в многоэтажном здании или на элеваторе. Во-вторых, снижается мощность наведенных помех благодаря сокращению длины проводов с аналоговыми сигналами, упрощается техническое обслуживание и диагностика системы.

Благодаря применению стандартного протокола обмена в систему сбора данных на модулях RealLab! могут быть включены устройства ввода других производителей, например, вольтметр фирмы Hewlett-Packard или кассовый аппарат, счетчик электроэнергии или метеостанция.