Материал: Контролер виконавчого модуля промислової мережі

Контролер виконавчого модуля промислової мережі

АНОТАЦІЯ

В даній бакалаврській кваліфікаційній роботі розроблено контролер виконавчого модуля промислової мережі.

Контролер забезпечує приймання повідомлень з мережі CAN, що надходять від оператора. Залежно від команди оператора контролер подає сигнали керування на силові елементи виконавчого модуля (драйвер крокового електродвигуна). Кроковий двигун забезпечує позиціонування камери відеоспостереження у горизонтальній площині з кутом повертання 180 градусів. Обов’язкове позиціонування камери здійснюється у 3-х фіксованих позиціях: крайня ліва, крайня права і центральна.

Результатом виконання бакалаврської кваліфікаційної роботи є структурна, функціональна та принципова схеми контролера, а також його програмне забезпечення.

Контролер реалізований на базі мікроконтролера LM3S2793 фірми Texas Instruments. Для написання програми використовувалось середовище KEIL та програмний пакет StellarisWare.

ABSTRACT

In this work the bachelor qualification controller runtime industrial network.controller provides receiving messages from the network CAN, coming from the operator. Depending on the operator commands the controller transmits signals to control power elements runtime (step motor driver). Stepping motor provides positioning surveillance cameras in the horizontal plane with rotation angle of 180 degrees. Required by positioning the camera in 3 fixed positions: extreme left, extreme right and center.result of the bachelor qualification work is structural, functional diagram and schematic of the controller and its software.controller is implemented on the micro LM3S2793 firm Texas Instruments. Used to write programs and environment KEIL software package StellarisWare.

ЗМІСТ

ВСТУП

1. АНАЛІЗ АЛГОРИТМУ РОЗВ’ЯЗАННЯ ПОСТАВЛЕНОЇ ЗАДАЧІ ТА РОЗРОБЛЕННЯ СТРУКТУРИ КОНТРОЛЕРА ВИКОНАВЧОГО МОДУЛЯ

1.1 Огляд програмованих логічних контролерів

1.2 Виконавчі механізми і двигуни

1.3 Алгоритми роботи контролера

1.4 Структура контролера

2. ВИБІР ЗАСОБІВ РЕАЛІЗАЦІЇ ЗАДАЧІ ТА РОЗРОБЛЕННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ВУЗЛІВ КОНТРОЛЕРА ВИКОНАВЧОГО МОДУЛЯ

2.1 Опис функціонування контролера та вибір основних елементів

2.2 Основні характеристики елементів

2.2.1 Мікроконтролер LM3S2793

2.2.2 Контролер КД L297

2.2.3 Трансивер MCP2551

2.2.4 Регістр SN54ALS373A

3. РЕАЛІЗАЦІЯ БАЗОВИХ ВУЗЛІВ КОНТРОЛЕРА ВИКОНАВЧОГО МОДУЛЯ ТА РОЗРОБЛЕННЯ ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМИ

4. ОХОРОНА ПРАЦІ

4.1 Контролер виконавчого модуля промислової мережі

4.2 Електричні поля промислової частоти

4.3 Підсумки до розділу

5. ЕКОНОМІЧНИЙ РОЗДІЛ

5.1 Економічна характеристика проектного виробу

5.2 Визначення комплексного показника якості

5.3 Розрахунок лімітної ціни нового виробу

5.4 Визначення показників економічної ефективності проектних рішень

5.4.1 Умови економічної ефективності

5.4.2 Визначення собівартості і ціни спроектованого пристрою

5.4.3 Розрахунок терміну служби пристрою за амортизаційним терміном

5.4.4 Визначення економічного ефекту в сфері експлуатації

5.5 Висновки до розділу

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ДОДАТКИ

ВСТУП

Архітектура комп’ютеризованої системи керування технічними об’єктами

В комп’ютеризованій системи керування технічними об’єктами (КСКТО) замість комп’ютера або разом з ним часто використовують програмований логічний контролер (ПЛК) - у нього відсутній жорсткий диск, дисплей, клавіатура, він має ширший діапазон робочих температур, стійкість до вібрації, малу споживану потужність.

За допомогою давачів певна фізична величина перетворюється в електричні сигнали. Існує велика кількість давачів (температурні, вологості, швидкості, вібрації ваги тощо). Отримані дані з давача перетворюються у цифровий код за допомогою АЦП (аналогово-цифрового перетворювача), який розташований на модулях аналогового введення. Цифрові давачі поєднують у собі перетворювачі фізичної величини, АЦП і вимірювальні перетворювачі (для узгодження параметрів сигналу давача з параметрами входу АЦП). Для керування виконавчими пристроями існують модулі виведення. А комп’ютер у такій системі виконує роль «керівника» - приймає сигнали від давачів, виконує записану в нього програму і подає необхідну інформацію на модуль виводу, який безпосередньо керує виконавчим механізмом.

Найпростіша система - підключення до одного комп’ютера різних модулів аналогового вводу з давачами, а також модулів виводу з конкретними виконавчими пристроями. Для підключення може використовуватись як Ethernet, так і USB, COM, LPT чи інші інтерфейси, доступні на комп’ютері. Таку систему ще називають централізованою.

З ростом кількості давачів, збільшення площі території, на якій розміщена КСКТО, ускладненням алгоритмів керування найбільш ефективною буде розподілена система керування. Це система з багатьох пристроїв (ПЛК, модулі введення/виведення), кожен з яких не залежить від інших пристроїв, але взаємодіє з ними для виконання загальної задачі.

Розподілена система має характеристики, які відрізняють її від централізованої:

         більша швидкодія завдяки розподіленню задач між паралельно працюючими процесорами;

         підвищена надійність (відмова одного з контролерів не впливає на працездатність інших);

         більша стійкість до збоїв;

         простіше нарощування чи реконфігурування системи;

         спрощена процедура модернізації;

         простота проектування, налаштування, діагностики і обслуговування завдяки відповідності архітектури системи;

         покращена завадостійкість і точність завдяки зменшенню довжини ліній передачі аналогових сигналів від давачів до пристроїв введення;

         менший об’єм кабельної продукції, знижені вимоги до кабелів і нижча його вартість;

         менші затрати на монтаж і обслуговування кабелів.

Для побудови розподілених систем може використовуватись архітектура зі загальною шиною. В такій архітектурі для того, щоб отримати дані з модуля чи контролера, комп’ютер чи контролер посилає в шину його адресу і команду запиту даних. Мікропроцесор, що входить до складу кожного модуля чи контролера, звіряє адресу на шині з адресою, записаною в його ПЗП. Якщо адреси збігаються, то виконується наступна за адресою команда. Така розподілена система породжує дві нові проблеми: необхідність адресації пристроїв і необхідність чекати у черзі для відправлення запиту та його опрацювання. Що тягне за собою необхідність додавання нових адрес в систему при масштабуванні.

Оскільки організовувати зв’язок можливо не тільки за допомогою інтерфейсів USB, COM, RS-485, RS-232, а також через комп’ютерні мережі (надалі - промислові мережі), тому краще використовувати багаторівневу архітектуру. Вона зручна при колективній роботі з КСКТО. В неї можуть бути об’єднані багато комп’ютерів за допомогою локальної мережі Ethernet, або глобальної Internet.

Рівні ієрархії КСКТО показані на рис В.1.

Рис. В.1 Рівні ієрархії КСКТО

Ієрархія КСКТО включає п’ять рівнів:

         найнижчий (нульовий) рівень - складається з давачів і виконавчих механізмів;

         перший рівень - складається з ПЛК, модулів введення/виведення та серверів OPC. OPC (OLE for Process Control - технологія зв’язування та інтеграції об’єктів для керування технологічними процесами) - сімейство програмних технологій, які надають єдиний інтерфейс для керування технічними об’єктами в комп’ютеризованій системі. Доступ будь-якого комп’ютера мережі до пристроїв введення/виведення чи контролера виконується за допомогою серверів OPC. Зазвичай до OPC підключається одна промислова мережа одного типу. Сервер OPC забезпечує єдиний інтерфейс для керування об’єктами комп’ютеризованої системи та технологічним процесом;

         диспетчерський рівень - включає в себе комп’ютер, який підключений до локальної мережі. Диспетчер виконує спостереження за ходом технологічного процесу або керує ним. Комп’ютер також дає змогу збирати дані та записувати дії оператора;

         рівень керування цехом - засіб інтеграції КСКТО з комп’ютеризованою системою керування підприємством.

         рівень вищого керівництва - слід розуміти підключення до мережі за допомогою глобальної мережі.

Кількість рівнів КСКТО залежить від величини підприємства.

Промислові комп’ютерні мережі

Як зазначалось раніше, для зв’язку між пристроями КСКТО використовується промислова мережа. Промисловою комп’ютерною мережею називають комплекс апаратних і програмних засобів, які забезпечують комунікацію між декількома пристроями. З’єднання промислової мережі з її компонентами виконується за допомогою інтерфейсів (RS-485, RS-232, Ethernet, CAN). Для обміну інформацією пристрої, що взаємодіють, використовують однаковий протокол (набір правил які керують обміном інформації). Також в мережі розрізняють пристрій master (головний), який керує іншими, та пристрій slave (підлеглий), що керується іншими. У мережі може бути один чи декілька пристроїв master.

На рис. В.2 зображена структура типової КСКТО.

Рис. В.2 Типова комп’ютеризована система керування технічними об’єктами

Оскільки на сьогоднішній день нараховується більше 50-ти типів промислових мереж, розглянемо найбільш вживані.

Profibus. Довжина з’єднання від 100 м до 24 км (з ретрансляторами і оптоволоконними кабелями). Швидкість передачі від 9600 біт/с до 12 Мбіт/с. Розмір повідомлення до 244 байт на повідомлення для одного вузла. Різновидності: Profibus DP (master/slave), Profibus FMS (з багатьма пристроями master/однорангові пристрої), Profibus PA (внутрішня безпечна шина).

Найчастіше Profibus застосовується у великих складальних агрегатах, механізмах транспортування матеріалів і деталей та в керуванні технологічними процесами. Дана шина дозволяє реалізувати однокабельне з’єднання багатовходових блоків давачів, пневматичних вентилів, складних інтелектуальних пристроїв і операторських пультів.

Переваги: найпростіший мережний стандарт. Версії DP, FMS і PA в цілому задовольняють потреби більшості систем комп’ютеризації.

Недоліки: відносно високі накладні витрати при передачі коротких повідомлень, відсутність подачі живлення по шині, трохи більша вартість в порівняні з іншими шинами вартість.

CAN. Недорога і дуже надійна основа для декількох розповсюджених промислових шин: Device Net, CAN open, SDS та інші. Сам по собі CAN це всього лиш низькорівневий арбітражний протокол обміну повідомленнями, реалізований у дешевих мікросхемах. Особливістю СAN є можливість використання власних протоколів, які будуть гнучко налаштовані під особливості КСКТО.

CAN open. Європейський CAN bus. Базується на розробленій в автомобільній галузі технології CAN і електричних специфікаціях RS485. Максимальна кількість вузлів 64. Довжина з'єднання від 100 до 500 метрів. Швидкість передачі даних: 125, 250, 500 і 1000 Кбіт/с. Максимальний розмір повідомлення: 8 байт на повідомлення для одного вузла.

Типові області застосування: в основному в системах керування переміщенням, у складальних, зварювальних і транспортувальних агрегатах. Використовується для однокабельного з'єднання багатовхідних блоків давачів, інтелектуальних давачів, пневматичних вентилів, зчитувачів штрих-кодів, приводів і операторських пультів.

Переваги: порівняно з іншими мережами на базі шини CAN, мережа CAN open придатна для швидкодіючих систем керування переміщенням і контурів регулювання зі зворотним зв'язком. Висока надійність, раціональне використання пропускної здатності, подача напруги живлення з мережного кабелю.

Недоліки: мала поширеність за межами Європи, надмірна складність і заплутаність протоколу з точки зору розробників, а також загальні для всіх CAN-мереж недоліки (обмежена пропускна здатність, обмежений розмір повідомлень, обмежена довжина з'єднання).

Device Net. Універсальна шина для заводських мереж нижнього та середнього рівнів. Максимальна кількість вузлів 64, довжина з'єднання: від 100 до 500 метрів. Швидкість передачі даних: 125, 250 і 500 Кбіт/с. Максимальний розмір повідомлення: 8 байт на повідомлення для одного вузла.

Типові області застосування: в основному складальні, зварювальні та транспортувальні агрегати. Використовується для однокабельного з'єднання багатовхідних блоків давачів, інтелектуальних давачів, пневматичних вентилів, зчитувачів штрих-кодів, приводів і операторських пультів. Особливо широке поширення дана шина отримала в автомобільній і напівпровідниковій галузях промисловості.

Оскільки напругу живлення для пристроїв КСКТО подається мережним кабелем, загальне число використовуваних кабелів і складність розведення мінімальні. Протокол Device Net підтримується сотнями різнотипних пристроїв (від інтелектуальних давачів до вентилів і операторських пультів) і сотнями різних виробників.

Мережа Device Net має шинну топологію з відводами. Фізичним середовищем передачі є 4-провідний кабель (CAN_H, CAN_L, Vcc, Ground), причому можливі два його різновиди: товстий (зовнішній діаметр 12,2 мм) і тонкий (6,9 мм)

Все це дає можливість побудови автономної мережі, не залежної від наявності або якості зовнішнього живлення, а при необхідності дозволить легко демонтувати і знову розгорнути систему на новому місці. Мережа Device Net допускає "гаряче" (без знеструмлення мережі) підключення і відключення модулів.

Переваги: дешевизна, широке застосування, висока надійність, ефективне використання пропускної здатності, подача напруги живлення мережним кабелем.

Недоліки: обмежена пропускна здатність, обмежений розмір повідомлень, обмежена довжина з'єднання.

Interbus. Високошвидкісна європейська промислова мережа. Максимальне число вузлів 256. Довжина з'єднання 400 метрів на сегмент, загалом до 12,8 км. Швидкість передачі 500 Кбіт/с (також можлива швидкість 2 Мбіт/с). Розмір повідомлення: 512 байт даних на вузол, число переданих блоків не обмежена.

Типові області застосування: в основному в складальних, зварювальних і транспортувальних агрегатах. Використовується для однокабельного з'єднання багатовхідних модулів давачів, пневматичних вентилів, зчитувачів штрих-кодів, приводів і операторських пультів.

Мережа Interbus - одна з найперших промислових шин, які отримали широке розповсюдження. Кожний підлеглий вузол має два з’єднувачі: через один з’єднувач дані приймаються, через інший передаються наступному вузлу. Інформація про адресу в протоколі відсутня; дані в мережі пересилаються по колу, і головний пристрій завжди здатен визначити, з якого вузла зчитується чи в який вузол передається інформація, тобто, становище цього вузла в кільці. Витрати протоколу, таким чином, мінімальні; в типових системах з кількома десятками вузлів і (можливо) десятком пристроїв вводу/виводу на вузол деякі шини здатні показувати кращі результати, ніж Interbus.

Переваги: істотно спрощує конфігурування системи авто адресації, розширені діагностичні можливості, широка поширеність (особливо в Європі), низькі витрати, малий час відгуку, раціональне використання пропускної здатності, подача напруги живлення (для пристроїв вводу) з мережного кабелю.

Недоліки: збій будь-якого з'єднання призводить до відмови всієї мережі; обмежені можливості з передачі даних великого обсягу.

AS-I (Actuator Sensor Interface). Найпростіша і найдешевша промислова мережна шина. Максимальна кількість вузлів: 31 підлеглий, 1 головний. Довжина з'єднання 100 метрів, з ретрансляторами до 300 метрів. Швидкість передачі 167 Кбіт/с. Розмір повідомлень: 8 біт (4 вхідних, 4 вихідних) на повідомлення для одного вузла.

Типові області застосування: в основному у складальних, зварювальних і транспортувальних агрегатах. Використовується для однокабельного з'єднання багатовхідних блоків давачів, інтелектуальних давачів, пневматичних вентилів, комутаторів і індикаторів.

Мережа ASI детермінована. Це означає, що завжди можна сказати з повною упевненістю, через який часовий проміжок зміна стану підлеглого пристрою стане відома головному.