Материал: Разработка малоканальной системы удаленного контроля состояния объекта

STEP 7 Basic обеспечивает поддержку всех фаз разработки проекта автоматизации:

· конфигурирование и настройка параметров аппаратуры;

·        конфигурирование систем промышленной связи;

·        программирование контроллеров S7-1200 на языках LD (Ladder Diagram) и FBD (Function Block Diagram);

·        конфигурирование панелей операторов SIMATIC Basic Panel;

·        тестирование, выполнение пуско-наладочных работ и обслуживание готовой системы.

Стоимость STEP 7 Basic составляет 17800 руб. [16].

.3 Аппаратно-программные средства фирмы WAGO

Фирма WAGO Kontakttechnik GmbH, основанная в 1951 году в Германии - изобретатель и крупнейший производитель безвинтовых пружинных клеммных соединителей и разъемных клемм, обеспечивающих высококачественное необслуживаемое соединение различных типов проводников. Пружинные клеммы Wago давно стали мировым стандартом, и современная электротехника уже немыслима без их применения. Помимо клеммников WAGO разрабатывает и производит электронные и электротехнические интерфейсные модули, а также интеллектуальные системы распределенного ввода/вывода серии Wago I/O на основе промышленных сетей передачи данных.

2.3.1 Аппаратное обеспечение фирмы WAGO

Для решения задачи данного дипломного проекта возможно использование следующих аппаратных средств фирмы WAGO [17]:

1)   Базовый контроллер узла сети

Рисунок 8 - Базовый контроллер 750-341 фирмы WAGO

Базовый контроллер позволяет подключить систему WAGO-I/O-SYSTEM в качестве ведомого (Slave) устройства в промышленную сеть Ethernet. Он поддерживает любые типы модулей и автоматически конфигурируется, создавая локальный образ процесса. В сети поддерживаются скорости передачи 10 МБит/с и 100 МБит/. Контроллер предназначен для самых различных применений: от удалённого сбора данных (MODBUS, ETHERNET /IP) до администрирования и диагностики систем (HTTP, BootP, DHCP, DNS, SNTP, FTP and SNMP). HTML страницы могут быть размещены на встроенном WEB сервере для использования в WEB-ориентированных приложениях.

Стоимость контроллера составляет [18] 14368,25 руб.

2)   8-канальный модуль 750-430 дискретного ввода

Рисунок 9 - 8-канальный модуль 750-430 дискретного ввода

На рисунке 9 представлена компоновка каналов модуля и схема включения одного канала. Каждый входной канал оборудован шумоподавляющим фильтром. Этот фильтр может иметь различные постоянные времени. Для обеспечения гальванической изоляции между входными цепями и внутренней шиной применены оптопары.

Стоимость модуля [18] составляет 1899,44 руб.

3)   8-канальный модуль 750-530 дискретного вывода

Рисунок 10 - 8-канальный модуль 750-530 дискретного вывода

Модуль предназначен для управления нагрузками постоянного тока 24 В (схема канала - на рисунке 10). Выходной сигнал положительной полярности. Все выходы защищены от короткого замыкания, и гальванически изолированы от внутренней шины с помощью оптопар.

Стоимость модуля [18] - 2143,25 руб.

4)   2-канальный модуль 750-475 аналогового ввода тока

Рисунок 11 - 2-канальный модуль 750-475 аналогового ввода тока

Аналоговый входной модуль принимает сигналы постоянного и переменного тока в диапазоне 0-1A эфф Максимальный ток не должен превышать 2.0A. Дифференциальные входы поканально изолированы. Входы изолированы от системы. Разрешение 16 бит. Экран заземляется на DIN рейку. Стоимость [18] - 6477 руб.

5)   2-канальный модуль 750-477 аналогового ввода напряжения

Модуль аналогового входа принимает стандартные сигналы напряжения в диапазоне 0-10В. Входные сигналы гальванически изолированы. Разрешение 12 бит. Время преобразования 2 мс. Стоимость модуля [18] составляет 6477 руб.

6)   2-канальный выходной модуль 750-556 аналогового вывода

Аналоговый выходной модуль выдаёт стандартные аналоговые сигналы 0-10В или ±10В. Выходной сигнал гальванически изолирован. Разрешение выходного ЦАП 12 бит. Выходы защищены от короткого замыкания. Для питания модуля используется напряжение внутренней шины. Выходные каналы имеют общий потенциал заземления. Стоимость [18] - 6853,04 руб.

Стоимость решения задачи, поставленной в данном дипломном проекте, на основе аппаратных средств фирмы WAGO составляет:

14368,25 + 1899,44 + 2143,25 + 6477 + 6477 + 6853,04 = 38217,98 (руб.)

2.3.2 Программное обеспечение фирмы WAGO

WAGO-I/O-CHECK 2 - программный пакет, работающий в среде MS Windows, для проверки состояния входов и выходов, и отображения собранного узла WAGO-I/O-SYSTEM 750. Программное обеспечение просто в установке и не требует для своей работы подключения к промышленной сети. Программа считывает конфигурацию контроллера и отображает её графически на экране компьютера. Это изображение может быть распечатано вместе со спецификацией. Вместе они образуют исчерпывающую документацию на собранный узел. С помощью WAGO-I/O-CHECK 2 возможно просмотреть на экране компьютера состояние модулей ввода/вывода. Подключение датчиков и исполнительных устройств, таким образом, может быть проверено до запуска контроллера. Значения специфических параметров, таких, как скорости обмена датчиков или их типы (термосопротивления, термопары) также задаются с помощью WAGO-I/OCHECK 2.I/O-PRO - инструмент для программирования и визуализации, позволяющий пользователям разрабатывать программы для программируемых логических контроллеров серии WAGO-I/O-SYSTEM 750. Он поддерживает стандарт IEC 61131-3. Стоимость программного пакета WAGO-I/O-PRO составляет 11800 руб.[19].

После проведённого анализа аппаратно-программных средств для построения малоканальной системы удалённого контроля состояния объекта выбраны интеллектуальные модули серии ADAM-6000 фирмы Advantech - ADAM 6024 и ADAM 6050, а для отображения поступающих сигналов в режиме реального времени будет использована SCADA-система Advantech Studio с 256 тегами. Этот выбор обусловлен тем, что модули ADAM, выпускаемые данным производителем, представляют собой высококачественное оборудование, легко реализуемое в любом производстве. За много лет эксплуатации на предприятиях различных отраслей промышленности России они зарекомендовали себя как надежное и недорогое решение для создания современных систем АСУТП. Структура системы приведена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Структура разработанной системы

Сравнивая интеллектуальные модули фирмы Advantech ADAM-6024 и ADAM-6050 и программное обеспечение AStudio V6.1 с аналогичной продукцией других фирм, например Siemens и WAGO, можно заметить, что совокупная стоимость устройств фирмы Advantech и пакета Advantech Studio значительно меньше при таких же характеристиках.

Так как разрабатываемая система будет использоваться в локальной сети предприятия типа Ethernet, то помимо модулей фирмы Advantech в системе обязательно должен быть свитч. Сетевой коммутатор или switch -устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента [20]. Для решения поставленной задачи подойдёт 5-портовый свитч D-link DES-1005D/E, стоимость которого составляет 480 рублей [21]. Мощный и одновременно с этим простой в использовании, DES-1005D/E позволяет без труда подключить к любому порту сетевое оборудование, работающее на скоростях 10 Мбит/с или 100 Мбит/с, понизить время отклика и удовлетворить потребности в большой пропускной способности сети.

3. Информационный расчёт системы

Для информационного расчёта в качестве исходного критерия будем использовать допустимую среднеквадратическую погрешность системы, которая определяется через погрешность отдельных узлов. В нашем случае она определяется по следующей формуле:

, (1)

где  - среднеквадратическая погрешность АЦП, возникающая за счёт шума квантования (погрешность квантования АЦП);

 - погрешность восстановления сигнала.

Для упрощения расчётов все указанные погрешности предварительно принимаются равными. Таким образом, из формулы (1) следует, что

 откуда

В соответствии с техническим заданием погрешность преобразования

 = 1%, следовательно

3.1 Расчет разрядности АЦП

АЦП преобразуют аналоговые сигналы в цифровую форму и являются оконечными устройствами в интерфейсе ввода информации в ЭВМ. Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения.

Относительная среднеквадратическая погрешность, вносимая за счет квантования АЦП, вычисляется по формуле

,

где  - среднеквадратическое значение шума квантования.

 - шаг квантования АЦП, определяемый диапазоном изменения сигнала U_с. и числом разрядов АЦП n.

Таким образом, погрешность квантования АЦП

Из этого выражения можно определить минимально необходимую разрядность АЦП:

Исходя из ,

Следовательно, минимальная разрядность АЦП для решения поставленной задачи - 6 разрядов. Но поскольку АЦП в модуле ADAM-6024 имеет 16 разрядов, то его реальная погрешность преобразования будет равна

.2 Расчет максимально возможной погрешности восстановления

Так как в задании указано, что максимальная погрешность преобразования составляет 1%, то для удовлетворения этому условию погрешность восстановления должна быть меньше либо равна

3.3 Восстановление непрерывного сигнала U(t) с помощью интерполяционного метода

Интерполяционный метод восстановления очень широко распространён в наши дни. Этот метод наиболее приспособлен для обработки сигналов с помощью средств вычислительной техники. Этот метод восстановления основан на использовании интерполяционного многочлена Лагранжа. Из соображений простоты реализации интерполирующих устройств обычно используют многочлен не выше второго порядка, применяя в основном интерполяцию нулевого и первого порядка (ступенчатая и линейная). Восстановление сигналов с помощью ступенчатой (а) и линейной (б) интерполяции поясняется на рисунке 13.

Рисунок 13 − Восстановление сигналов с помощью ступенчатой (а) и линейной (б) интерполяции

При ступенчатой интерполяции мгновенные значения U(kT) дискретного сигнала U(t) сохраняются постоянными на всём интервале дискретизации Т (рисунок 13, а).

Линейная интерполяция заключается в соединении отрезками прямых мгновенных значений U(kT), как показано на рисунке 13, б.

Интерполяционный способ восстановления обладает погрешностью, которую на практике часто выражают через максимальное относительное значение [22]

где  - восстановленный интерполяционным способом сигнал (при ступенчатой интерполяции , при линейной );  - диапазон изменения дискретного сигнала U(t).

Период дискретизации выбирается с учетом допустимой погрешности  из формулы.

· для ступенчатого интерполятора

· при линейной интерполяции

·   при параболической интерполяции

Определим период дискретизации для одного канала по Котельникову:

По заданию дипломного проекта частота процессов должна быть меньше 0,1 Гц. Модуль аналогового ввода-вывода ADAM-6024 имеет fmax = 10 Гц (на 1 канал). Так как в разрабатываемой системе используются 4 канала аналогового ввода, то предельная частота дискретизации по каждому из каналов составит fmax = 2,5 Гц. Тогда необходимая частота дискретизации при ступенчатой интерполяции составит:

 Гц

Следовательно, для удовлетворения требованиям к разрабатываемой системе ступенчатая интерполяция не подходит, так как частота дискретизации при ступенчатой интерполяции существенно больше 2,5 Гц.

Частота дискретизации при линейной интерполяции составляет

 Гц

Частота дискретизации при параболической интерполяции равна

 Гц

Можно заметить, что частота дискретизации при линейной и параболической интерполяции меньше предельной частоты дискретизации модуля на канал. Но интерполяция второго и большего порядков практически не используют, так как её реализация усложняется, поэтому для восстановления сигналов будем использовать линейную интерполяцию.

4. Разработка экранных форм HMI

Малоканальная система удалённого контроля состояния объекта будет разрабатываться в среде A-Studio, которая обладает широкими возможностями для реализации различных действий с модулями серии ADAM-5000 и ADAM-6000.

Создание приложения средствами A-Studio включает в себя следующие моменты: подключение необходимых для работы драйверов, создание новой рабочей области, размещение объектов, позволяющих осуществить управление модулями, привязка объектов к тегам, задание дополнительных условий работы.

Для создания проекта необходимо выполнить команду меню File/New. В открывшемся окне на вкладке Project введём имя проекта MSUKSO (рисунок 14). После нажатия Ok появляется окно диалога Project Wizard (рисунок 15), в котором в списке Template выбираем Empty Application и задаём разрешение (Resolution) экрана.

Рисунок 14 - Окно «New»

Следующим шагом в создании проекта является его конфигурирование. Оно осуществляется по команде Project/Settings…. Другой командой этой же секции - Status… можно установить статус запуска задач проекта (Automatic, Manual), а также произвести их запуск/останов в режиме Manual.