Материал: Разработка малоканальной системы удаленного контроля состояния объекта

одновременный доступа для 8 управляющих компьютеров;

установка 8 модулей со 128 каналами ввода-вывода;

программная поддержка: OPC-сервер, элементы управления ActiveX, SCADA-пакет Advantech Studio.

Номенклатура используемых в блоке модулей ADAM-5000 позволяет решить поставленную задачу. В разрабатываемой системе требуется работать с 2 аналоговыми сигналами по току и с 2 по напряжению, с 1 тестовым аналоговым выходным сигналом, с 6 дискретными сигналами типа «сухой контакт» и с 8 дискретными сигналами разомкнутый коллектор. Среди модулей, предоставляемых фирмой Advantech, выберем следующие:

. Аналоговый ввод реализуем с помощью двух 8-канальных модулей ADAM-5017, т.к. каналы модуля допускают настройку либо на входной ток, либо на напряжение. Один модуль будет являться приемником аналогового тока (2 канала), второй - приемником аналогового напряжения (2 канала).

Технические характеристики модуля ADAM-5017 [8]:

· 8 дифференциальных каналов;

·        диапазоны входного сигнала: ±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА;

·        частота выборки 10 Гц (общая);

·        16-разрядный код.

Модуль ADAM-5017 является экономичным решением для реализации широкого класса систем измерений и контроля параметров. Наличие в модуле оптоизоляции входных аналоговых цепей от системной магистрали с напряжением изоляции 3000В постоянного тока значительно снижает вероятность повреждения микроконтроллера помехами и наводками высокой интенсивности во входных цепях.

. Аналоговый вывод реализуем с помощью одного 4-х канального модуля аналогового вывода - ADAM-5024. Первый канал модуля будет использоваться для вывода тестового сигнала заданного вида. Технические характеристики модуля ADAM-5024 [8]:

· 4 выходных канала:

· выходные диапазоны: 0…20, 4…20 мА, 0…10 В;

·        12-разрядный код;

·        Программируемая скорость нарастания выходного сигнала: 0,125…0,128 мА/с; 0,0625…64,0 В/с.

3. Дискретный ввод-вывод реализуем с помощью 16-канального модуля дискретного ввода/вывода ADAM-5050. 6 каналов будут использованы дискретный ввод (типа «сухой» контакт) и 8 каналов - для реализации дискретных выходов типа разомкнутый коллектор. Режим работы канала выбирается DIP-переключателем.

В результате получим структуру системы контроля состояния объекта, изображенную на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структура системы контроля состояния объекта

Оценим стоимость построения системы контроля состояния объекта на основе выбранных модулей, исходя из их цены (таблица 1):

Стоимость = цена базового блока ADAM-5000/TCP + 2*(цена модуля ADAM-5017) + цена модуля ADAM-5024 + цена модуля ADAM-5050 = (419,09+2*162,31+224,79+76,20) € = 1044,7*43 € = 44922,1 руб.

Таблица 1

Стоимость изделий серии ADAM-5000 [7]

2.1.2 Реализация системы на основе модулей серии ADAM-6000

Модули ADAM-6000 - это интеллектуальные модули. Они являются развитием серии ADAM-4000 и в основном отличаются от последней наличием поддержки сети Ethernet, что позволяет легко интегрировать модули в существующие локальные сети. Тем самым упрощается процесс создания комплексов сбора данных в местах с развитой сетевой инфраструктурой. Модули этой серии позволяют строить эффективные по стоимости распределённые системы контроля и управления. В каждый из них встроена web-страница, делающая удаленный контроль доступным средствами браузера сети [9].

Для реализации построения системы будет использовано всего лишь два интеллектуальных модуля - ADAM-6024 и ADAM-6050.

Модуль ADAM-6024 - универсальный 12-канальный модуль ввода-вывода. Два канала модуля будут задействованы под аналоговый ввод по току и два - под аналоговый ввод по напряжению; один канал - под аналоговый вывод тестового сигнала и еще один - для второго аналогового вывода; 2 канала дискретного ввода будет использованы по схеме «сухой» контакт, а 2 канала дискретного вывода - для включения по схеме разомкнутого коллектора.

Технические характеристики ADAM-6024 [10]:

·   6 дифференциальных каналов аналогового ввода с разрешением 16 бит;

·   диапазоны входного сигнала: ±10 В, 0/4 ~ 20 мА;

·   частота выборки 10 Гц (общая);

·   2 канала аналогового вывода с разрешением 12 бит;

·   диапазоны выходного сигнала: 0 ~10 В, 0/4 ~ 20 мА.

·   2 канала дискретного ввода, в том числе «сухой» контакт;

·   2 канала дискретного вывода типа открытый коллектор.

Внешний вид модуля ADAM-6024 представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Модули ADAM-6024 и ADAM-6050

Так как число каналов модуля ADAM-6024 недостаточно под дискретные вводы/выводы (необходимо дополнительно 4 канала дискретного ввода и 6 каналов дискретного вывода), то следует выбрать ещё один модуль фирмы Advantech, который позволит построить систему. Проанализировав модули серии ADAM-6000, можно прийти к выводу, что для правильного функционирования системы удаленного контроля состояния объекта нужно в систему добавить модуль ADAM-6050 - 18-канальный модуль дискретного ввода-вывода с гальванической изоляцией. 4 канала дискретного ввода этого модуля будут использованы на «сухой» контакт и 6 каналов дискретного вывода для реализации разомкнутого коллектора.

Технические характеристики модуля ADAM-6050 (рисунок 4):

·   количество каналов - 18;

·   тип каналов: 12 каналов дискретного ввода с гальванической изоляцией (сигнал до 30 В, цепь с «сухим» контактом), 6 каналов дискретного вывода типа открытый коллектор (до 30 В/ 200 мА).

Оценим стоимость аппаратной части системы на основе выбранных модулей, исходя из их цены (таблица 2):

Стоимость = цена модуля ADAM-6024 + цена модуля ADAM-6050 =

= (483,49+193,19)€=676,68*43=29097,24 руб.

Таблица 2

Модули серии ADAM-6000 фирмы Advantech [9]

Из проведённого анализа становится ясно, что для разработки системы контроля состояния объекта целесообразно использовать интеллектуальные модули серии ADAM-6000, а не совокупность базового блока ADAM 5000/TCP с модулями серии ADAM-5000.

2.1.3 Программные средства фирмы Advantech

Для конфигурирования и начальной настройки модулей в комплекте с базовым блоком и модулями фирма Advantech поставляет программный продукт - утилита ADAM - 5000TCP/6000 Utility. За отдельную плату фирма Advantech предоставляет пакет визуального программирования Advantech Studio для отображения поступающих сигналов в режиме реального времени.система Advantech Studio - один из основных компонентов, предназначенных для реализации концепции eAutomation, предложенной фирмой Advantech. Цель этой концепции - сделать информацию о производстве, технологических процессах более доступной для всех подразделений предприятия, а также его клиентов, обеспечить возможность работы с этой информацией в любое время и в любом месте. Область применения eAutomation может быть очень широкой. Вот лишь несколько примеров эффективно решаемых задач:

· контроль производства в реальном времени, доступ к технологической информации по необходимости из любого отдела предприятия или удаленного офиса без ожидания отчетов, возможность оперативного принятия решений не только на технологическом уровне, но и на уровне управления предприятием;

·        интеграция данных АСУ ТП с программными системами управления предприятием, возможность создания «цифровой нервной системы» предприятия;

·        удаленный мониторинг, необходимый в задачах диспетчеризации, транспортных предприятий, систем жизнеобеспечения зданий и т.п.

Концепция eAutomation включает в себя три основные технологии: IBM PC совместимые аппаратные платформы, сеть Ethernet и современные web-технологии.

Пакет Advantech Studio обладает следующими возможностям [11]:

· встроенная среда исполнения;

·        возможность публикации данных в виде HTML-страниц, встроенный web-сервер, совместимый с MS Internet Explorer, Netscape, подключение по сети или телефонной линии;

·        OPC-совместимость, клиент и сервер,

·        более 100 встроенных драйверов устройств;

·        поддержка формата XML;

·        передача сообщений по электронной почте;

·        возможность построения графиков на основе текущей и накопленной информации;

·        гибкая система формирования отчетов;

·        удаленные создание, редактирование и загрузка проектов;

·        гибкая система ограничения доступа к информации.

Стоимость SCADA-системы Advantech Studio возрастает с увеличением количества тегов. Для решаемой задачи выберем программное обеспечение AStudio V6.1 со средой разработки на 256 тегов для Windows XP/2000/NT стоимостью 12300 рублей [12].

2.2 Аппаратно-программные средства фирмы Siemens

Siemens - это один из немногих мировых производителей, способных предложить интегрированную платформу для решения широкого спектра задач комплексной автоматизации во всех секторах и фазах промышленного производства: от приема сырья и комплектующих до отгрузки готовой продукции. Эта платформа получила наименование Totally Integrated Automation (TIA).позволяет охватывать все уровни управления: от полевого уровня до корпоративного уровня управления предприятием, обеспечивает максимальную прозрачность этих уровней, сводит к минимуму количество используемых интерфейсов. Результатом внедрения концепции TIA стала максимальная функциональная совместимость программируемых контроллеров, приборов человеко-машинного интерфейса, приводов, систем управления процессами.

2.2.1 Программируемые контроллеры S7-1200

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-1200 - это новое семейство микроконтроллеров для решения самых разных задач автоматизации малого уровня. Эти контроллеры имеют модульную конструкцию и универсальное назначение. Они способны работать в реальном масштабе времени, могут использоваться для построения относительно простых узлов локальной автоматики или узлов комплексных систем автоматического управления, поддерживающих интенсивный коммуникационный обмен данными через сети Industrial Ethernet/PROFINET, а также PtP (Point-to-Point) соединения.

Программируемые контроллеры S7-1200 способны обслуживать от 10 до 284 дискретных и от 2 до 51 аналогового канала ввода-вывода. При одинаковых с S7-200 конфигурациях ввода-вывода контроллер S7-1200 занимает на 35% меньший монтажный объем [13].

Серия S7-1200 включает 3 модели центральных процессоров (рисунок 5), отличающихся производительностью, объемами встроенной памяти, количеством и видом встроенных входов и выходов и другими показателями. Каждый центральный процессор S7-1200 оснащен встроенным интерфейсом Ethernet, который используется для программирования и диагностики, обмена данными с другими системами автоматизации, устройствами и системами человеко-машинного интерфейса. Для организации обмена данными могут использоваться транспортные протоколы TCP/IP, ISO на TCP и S7 функции связи (S7 сервер или S7 клиент) [14].

К центральному процессору (CPU) программируемого контроллера S7-1200 могут быть подключены коммуникационные модули (CM); сигнальные модули (SM) и сигнальные платы (SB) ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов. Совместно с ними используются 4-канальный коммутатор Industrial Ethernet (CSM 1277) и модуль блока питания (PM 1207). Все сигнальные модули выпускаются в пластиковых корпусах, которые могут монтироваться на 35-мм профильную рейку DIN с креплением защелками или на плоскую поверхность с креплением винтами. Bторой вариант крепления рекомендуется для установок с повышенными вибрационными и ударными нагрузками.

Подключение к соседним модулям производится с помощью выдвижного соединителя, который вмонтирован в каждый модуль. Внешние цепи подключаются через съемные терминальные блоки с контактами под винт. Терминальные блоки закрыты защитными изолирующими крышками. Применение съемных терминальных блоков позволяет производить замену модулей без демонтажа их внешних цепей.

Рисунок 5 - Характеристики центральных процессоров серии S7-1200

Сигнальные модули устанавливаются справа от центрального процессора и могут использоваться в сочетании с CPU 1212С и с CPU 1214C. CPU 1211С не имеет шины подключения сигнальных модулей [15].

Для решения задачи, поставленной в данном дипломном проекте, использование центрального процессора CPU 1211C невозможно в связи с его ограничением на количество возможных каналов системы (рисунок 5).

В CPU 1212C встроено 8 дискретных каналов ввода, 6 дискретных каналов вывода и 2 канала аналогового ввода. Для решения задачи на базе CPU 1212C не хватает 2 дискретных каналов ввода, 1 аналогового канала вывода и 2 каналов аналогового ввода. Необходимо дополнительно установить 4-канальный модуль ввода аналоговых сигналов SM 1231 и 2-канальный модуль вывода аналоговых сигналов SM 1232 (рисунок 6) и 4-канальную сигнальную плату ввода-вывода дискретных сигналов SB 1223 (рисунок 7). Оценим стоимость построения системы контроля состояния объекта на основе выбранных модулей и CPU 1212C, исходя из их цены [15]:

Рисунок 6 - Сигнальные модули серии S7-1200

Стоимость = цена CPU 1212C + цена 4-канальной сигнальной платы ввода-вывода дискретных сигналов SB 1223 + цена 4-канального модуля ввода аналоговых сигналов SM 1231 + цена 2-канального модуля вывода аналоговых сигналов SM 1232 = 32400 + 6700 + 9500 + 5200 = 53800 руб.

Рисунок 7 - Сигнальные платы серии S7-1200

В CPU 1214C встроено 14 дискретных каналов ввода, 10 дискретных каналов вывода и 2 канала аналогового ввода. Для решения задачи на базе CPU 1212C не хватает 1 аналогового канала вывода и 2 каналов аналогового ввода. Необходимо дополнительно установить 4-канальный модуль ввода аналоговых сигналов SM 1231 и 1-канальную сигнальную плату вывода аналоговых сигналов SB 1232. Оценим стоимость построения системы контроля состояния объекта на основе выбранных модулей и CPU 1214C [15].

Стоимость = цена CPU 1214C + цена 4-канального модуля ввода аналоговых сигналов SM 1231 + цена 1-канальной сигнальной платы вывода аналоговых сигналов SB 1232 = 37600 + 9500 + 4300 = 51400 руб.

2.2.2 Программное обеспечение STEP 7 Basic

Программное обеспечение STEP 7 Basic - это система проектирования систем автоматизации на основе программируемых контроллеров SIMATIC S7-1200. Встроенная система проектирования WinCC Basic включает инструментальные средства, позволяющие выполнять конфигурирование панелей операторов SIMATIC Basic Panel, работающих с программируемыми контроллерами S7-1200.