1 componentes del sistema de control
Los componentes de un sistema de control industrial se pueden dividir ampliamente en dos categorías dependiendo de dónde se encuentren: dispositivos centrales de control y dispositivos de sitio remoto. Los dispositivos del centro de control se encuentran en el centro de control del sistema e incluyen la interfaz de la máquina humana (HMI), las estaciones de trabajo de los ingenieros y los servidores de historia (historiador). Los dispositivos remotos del sitio son dispositivos que residen en el sitio de producción y están directamente conectados a actuadores y sensores cuya función principal es supervisar y controlar el proceso físico. Aunque los dispositivos de sitio generalmente no interactúan directamente con las personas, es más probable que sean atacados y comprometidos porque los sitios de producción suelen ser menos seguros que los centros de control.
1.1 Equipo central de control
La interfaz de la máquina humana HMIS (a veces llamadas sistemas SCADA) son sistemas que permiten a los operadores monitorear y controlar los procesos. HMIS HMIS suele ser aplicaciones de software puras que se ejecutan en una computadora de propósito general, que generalmente se ejecutan en la familia de entornos de sistemas operativos de Microsoft Windows. Las HMI comunes en la industria incluyen Wonderware, WinCC de Siemens, Rsview de Rockwell y Areva E-Terra, con Kinseal también es una buena opción.
History Server Historian es un servidor de base de datos que registra el historial del estado de un sistema de control de procesos. En algunos casos, si el historiador es lo suficientemente poderoso, también se puede usar como HMI para el sistema de control. El historiador generalmente se ejecuta en los principales sistemas operativos y dispositivos de hardware comunes, y generalmente se refleja en la red corporativa.
1.2 Dispositivos de sitio remoto
Los dispositivos de sitio remoto incluyen PLC, unidades de terminal remotas RTU, dispositivos electrónicos inteligentes IED y relés electrónico. Aunque las funciones de estos dispositivos varían mucho, pueden agruparse más o menos en función de su ubicación y similitudes. También hay similitudes en la arquitectura de hardware utilizada en estos dispositivos, que generalmente proporcionan funciones de entrada/salida analógica o digital (E/S) y de control. Leen datos directamente de los sensores y envían comandos operativos a los actuadores, y en algunos casos, están conectados a otros dispositivos de campo.
En este artículo se proporciona una discusión simplificada de los dispositivos. De hecho, cada uno de estos dispositivos mencionados anteriormente (PLC, RTU, IED y relés electrónico) realiza un cierto subconjunto de funciones en el Modelo de relación de objetos del sistema de control (ORM). Por ejemplo, las RTU, que generalmente son la función de los sistemas SCADA que proporcionan control de E/S de campo solamente, realizan muestreo a través de sensores de E/S de campo, e individualmente, las RTU generarán desencadenantes para los actuadores. Los relés electrónico siempre realizarán las funciones de muestreo y activación. La RTU generará puntos de campo de datos de estado, y en algunos casos procesará los puntos de campo de datos de comando. Los relés generarán puntos de campo de datos de estado, pero es menos probable que manejen los puntos de campo de datos comandados. Las personas generalmente no tienen funcionalidad de control local, pero los relés tienen esa funcionalidad. Además de comunicarse con sensores, actuadores y funciones de control de nivel superior, los PLC tienen importantes funciones de control local. Estas funciones pueden parecer similares, pero existen diferencias significativas en los ORM.
2 Arquitectura del sistema de control típico
La Figura 1 muestra una arquitectura de sistema de control típica. En él, una PC comercial común que ejecuta una HMI se comunica con dispositivos de campo como PLC a través de protocolos de red estándar (por ejemplo, Ethernet). La estación de ingeniería y la base de datos del historial también son PC o servidores comerciales ordinarios que se comunican con los dispositivos de campo a través de protocolos de red estándar. Los dispositivos de campo se conectan a otros dispositivos de campo utilizando protocolos de control industrial basados en Ethernet, como FieldBus. Algunos dispositivos de campo se conectan a dispositivos inteligentes que utilizan protocolos de comunicación de bus serie estándar como RS232 o RS485, y algunos dispositivos de campo se conectan directamente a los sensores, los dispositivos y los dispositivos de la máquina.
3 Controlador lógico programable PLC
Un PLC es un dispositivo de campo que se puede conectar directamente a sensores y actuadores u otros dispositivos de campo. Los PLC se controlan localmente a través de programas lógicos (generalmente en un formato definido de acuerdo con el estándar IEC 61131-3), y se pueden combinar los comandos de control y las solicitudes de consultas de un HMI a través del sistema de control de los protocolos de comunicación. esencialmente use los mismos componentes subyacentes. Los tipos esencialmente usan los mismos componentes subyacentes.
3.1 Programación del PLC
Los PLC se pueden programar utilizando uno de los idiomas enumerados en IEC 61131-3:
Diagrama de escalera (LD), gráfico
Diagrama de bloques de funciones (FBD), gráfico
Texto estructurado (ST), textual
Lista de instrucciones (IL), textual
Gráfico de funciones de secuencia (SFC), gráfico
El PLC opera en ciclos cíclicos llamados "escaneos", que consisten en entradas, ejecución lógica y salidas.
3.2 Arquitectura General Modular PLC
Los PLC modulares están compuestos de módulos individuales conectados por un plano posterior. Un PLC no modular integra todos los componentes en una sola placa.
3.3 Interacción del módulo PLC
En la arquitectura PLC de uso general que se muestra en la Figura 2, a cada módulo tiene una ranura física y se le asigna una serie de direcciones de plano posterior. Los registros de interfaz y los recuerdos del búfer están expuestos dentro del rango de direcciones de plano posterior. Los mensajes se envían y reciben mediante la lectura y escritura de módulos a los registros u otros búferes de módulos.
3.4 Módulo de procesador
El módulo del procesador es el corazón del PLC. Implementa la coordinación entre los módulos y a veces se usa como árbitro de placa posterior. El módulo del procesador configura otros módulos en el encendido si no almacenan sus propias configuraciones.
El módulo del procesador interpreta y ejecuta la lógica de la escalera, lee valores del módulo de comunicación o el módulo de E/S, mantiene el estado operativo, ejecuta ciclos de "escanear" de la lógica de la escalera y escribe valores de salida en el módulo de comunicación o el módulo de E/S.
3.5 Módulo de comunicación
Los módulos de comunicación toman el código relacionado con el protocolo de comunicación del módulo del procesador. Toman los datos de interacción de protocolo sensibles al tiempo del módulo del procesador, asegurando que el módulo del procesador esté en su propio bucle de control sensible al tiempo. Debido a que algunos protocolos del sistema de control son muy complejos, el módulo de comunicaciones puede tener una alta potencia de procesamiento, por lo que el módulo de comunicaciones puede ser tan complejo como el módulo del procesador.
3.6 Módulos de E/S
Los módulos de E/S convierten las señales entre el bajo voltaje (3.3 voltios o 5 voltios), la lógica de control de bajo corriente (nivel de miliamperios) y el control de proceso de alto voltaje (24 voltios o más), control de alta corriente (nivel de amperios). Los módulos de E/S analógicos contienen convertidores analógicos a digitales (ADC) y convertidores digitales a analógicos (DAC). Estos módulos tienen una lógica relativamente simple y un hardware relativamente poco inteligente, y su única tarea es convertir entre señales analógicas y digitales.
3.7 procesadores de propósito general
Hay tres tipos de arquitecturas de procesadores que se encuentran más comúnmente en los PLC:
Arquitectura ARM (Serie 7 o 9)
Arquitectura de la serie Motorola/Freescale 68000
Arquitectura de poder de IBM
La arquitectura ARM fue diseñada por Arm, una compañía con sede en el Reino Unido con más de 1,700 empleados. El AHM no fabrica chips, sino que diseña y licencia la propiedad intelectual (IP) para ellos. (1) La arquitectura ARM se usa ampliamente en sistemas y dispositivos integrados, y tiene una parte particularmente grande de electrónica de consumo, como teléfonos celulares y asistentes digitales personales (PDA), con una cuota de mercado de más del 90%. (2) Los procesadores ARM pueden ejecutarse en modo grande o pequeño, y también pueden usar los conjuntos de instrucciones ARM ({32-}) y Thumb (16-} bit).
La serie Motorola (ahora Freescale) 68000 es un microprocesador 32-} complejo de instrucciones complejo de bit (CISC). Se usa ampliamente en sistemas integrados. Fue el procesador de arquitectura de bits 32-} del mundo en 2000, y la serie 68000 es grande.
La arquitectura de Power incluye PowerPC, una arquitectura de microprocesador de instrucciones reducido (RISC) implementada por IBM, Freescale, AMCC, Tundra y PA Semi, entre otros. La arquitectura Power utiliza secuencias de bytes grandes.
3.8 Diseño de memoria
Los PLC generalmente usan almacenamiento de memoria flash no volátil para almacenar programas de lógica de firmware y escalera de módulos de procesador (u otros idiomas IEC 61131-3). La dirección de la memoria flash se asigna al espacio de direcciones del procesador, al igual que los registros de control de otros dispositivos a bordo. RAM se utiliza para almacenar el estado de tiempo de ejecución.
3.9 sistemas operativos integrados
Muchos sistemas operativos integrados también son sistemas operativos en tiempo real (RTO). Para ser considerado un RTOS, el sistema operativo debe ser "retrasado determinista o garantizar el peor retraso de interrupción o tiempo de cambio de contexto".
Los PLC a menudo utilizan implementaciones comerciales de RTO como VXWorks, Windows CE o QNX, pero también pueden usar sistemas operativos "internos" personalizados. Aunque aún no son comunes, algunos fabricantes han comenzado a usar sistemas operativos basados en Linux en PLC.