Материал: Разработка модульной подсистемы контроля состояния удаленного стендового оборудования

Разработка модульной подсистемы контроля состояния удаленного стендового оборудования

Аннотация

Рассматривается разработка модульной подсистемы контроля состояния удаленного стендового оборудования. Приводится технико-экономическое обоснование работы, показан порядок и результаты информационного расчета тракта ввода аналоговых сигналов, описан процесс создания проекта в среде InduSoft Web Studio, представлены результаты экспериментальной проверки разработанной подсистемы, сделаны выводы о целесообразности разработки.

Annotation

consider the development of a modular subsystem status of the remote control stand equipment . We present a feasibility study work shows how information and the results of the calculation of the input analog signal path , describes the process of creating a project in the InduSoft Web Studio, presents the results of experimental verification of the developed subsystem , conclusions about the feasibility of developing.

Введение

Практически на каждом предприятии, выпускающем оригинальную продукцию технического назначения, имеется стендовое оборудование, которое предназначено для испытания изделий [1]. Характер испытаний зависит от конкретного вида изделия. В автомобилестроительной отрасли широко применяются стендовые испытания агрегатов и узлов автомобиля (двигатель, трансмиссия, ходовая часть, коробка переключения передач и т.п.). В авиационной промышленности основными объектами стендовых испытаний являются авиационные двигатели, узлы, агрегаты и элементы конструкций летательных аппаратов. Основными объектами испытаний в энергетической отрасли являются гидроагрегаты, турбоагрегаты, генераторы, подшипники, зубчатые передачи и вспомогательное оборудование. На сегодняшний день стендовые испытания являются неотъемлемой частью любого производства и применяются на всех этапах от разработки до эксплуатации для проведения научно-исследовательского эксперимента, испытания отдельных узлов, приемо-сдаточных, сертификационных, ресурсных и планово-диагностических испытаний [2]. Нередко на солидных предприятиях для организации и проведения испытаний проектируют многофункциональные контрольно-измерительные комплексы, которые включают в себя необходимые наборы оборудования для всех видов исследования изделий. Как правило, стендовое оборудование занимает отдельное помещение. На крупных предприятиях, например авиационной отрасли, под названные цели строятся ангары, выделяются специальные боксы, отводятся целые цеха. Связь с аппаратурой автоматизации стенда осуществляется по различным каналам связи. Пользователи стендового оборудования находятся на некотором расстоянии от него, наблюдая за ходом проведения испытаний с помощью средств операторского интерфейса так называемого человеко-машинного интерфейса (HMI - Human-Maсhine Interface). Для исследователей отводится помещение в непосредственной близости от стенда с тем, чтобы создать благоприятные условия для их деятельности. К результатам исследований обычно организуют доступ для всех групп заинтересованных в них пользователей. При этом широко используют сетевые информационные технологии на базе Ethernet, интерфейса RS-485, беспроводной связи типа Wi-Fi и других.

В сфере промышленной автоматизации подавляющее большинство создаваемых систем базируется на принципах SCADA. SCADA представляет собой систему диспетчерского контроля, основанного на сборе данных [3 - 5]. Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента (рисунок 1) [5].

Первый элемент - Remote Terminal Unit (RTU - удаленный терминал), осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. К RTU относятся аппаратные средства от датчиков, осуществляющих съем измерительной информации от объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Реализация системы определяется областью применения.

Рисунок 1 - Основные структурные компоненты SCADA-системы

Второй элемент - Master Terminal Unit (MTU - диспетчерский пункт управления), осуществляющий обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме «мягкого» реального времени. Одна из основных функций MTU - обеспечение человеко-машинного интерфейса (HMI).

Третий элемент SCADA - это Communication System (CS) - коммуникационная система, необходимая для передачи данных от удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU.

Рассмотренная методология послужила основой для создания прикладного программного обеспечения (ПО), представленного SCADA-пакетами. В них удобно и эффективно создавать проекты, содержащие как тысячи тегов, так и их весьма ограниченное число [4].

В реализуемом проекте создается не сложная по составу оборудования и по числу исследуемых параметров подсистема контроля. Необходимо оценить информативность каналов ввода аналоговых сигналов с заданными частотными свойствами и выбрать модульное оборудование из номенклатуры устройств, выпускаемых фирмой Advantech. Данная фирма производит изделия контрольно-измерительной техники, удовлетворяющие требованиям международных стандартов качества и находящиеся при этом в приемлемой ценовой нише. Для выбранного аппаратного комплекса будет разрабатываться HMI средствами удобного в применении SCADA-пакета InduSoft Web Studio.

стенд адресация канал модуль

1. Технико-экономическое обоснование работы

Стендовые испытания всевозможных изделий являются, как отмечалось выше, составной частью их жизненного цикла. То есть без них не обходятся ни уже промышленно выпускаемые объекты, ни модернизируемые устройства, ни вновь создаваемые машины и механизмы. Уже освоенные изделия могут потребовать дополнительных испытаний с целью выявления у них других полезных качеств, которые могут способствовать расширению рынка сбыта. Испытания, связанные с модернизацией отдельных элементов конструкции, режимов работы и т.п., в стендовом варианте обойдутся гораздо дешевле и потребуют меньшего времени. Но особенно востребованы стендовые испытания в случае освоения образцов новой техники. Ведь широко известно то обстоятельство, что затраты на освоение промышленного выпуска продукции как минимум в десятки раз превышают затраты на ее проектирование и разработку. Именно стендовые испытания образцов новой техники позволяют многократно сократить сроки ее освоения. Безусловно, они не подменяют последующие натурные испытания. Но в ходе стендовых испытаний можно моделировать характер нагрузок на рабочие органы, проводить работы круглосуточно с возможностью как экспресс-анализа, так и последующего детального рассмотрения параметров процессов с целью обнаружения недоработок, просчётов или неоправданно завышенных требований. Следовательно, от того, насколько грамотно спроектирован стенд, во многом будет зависеть качество проводимых на нём испытаний, а, главное, их сроки. Разрабатываемая подсистема должна стать составной частью единого комплекса стендового оборудования, аппаратуры его автоматизации, включая программное обеспечение. Поэтому о целесообразности проектирования подсистемы контроля речь не идет, поскольку она является настоятельной необходимостью. Но при создании подсистемы, безусловно, потребуется профессиональный подход к выбору технических решений в рамках поставленной задачи и грамотное взаимодействие с инструментальными средствами разработки программного приложения. Современные контрольно-измерительные системы строятся по модульному принципу, который предполагает возможность изменения функционального состава модулей, что сулит гибкость в решении возникающих задач. Создание программного приложения в рамках SCADA-пакета, несмотря на относительную простоту подсистемы, следует считать оправданный, поскольку существенно снижает трудозатраты и гарантирует использование отработанных технологий. Таким образом, работа по проектированию модульной подсистемы контроля состояния удаленного стендового оборудования как с технической, так и с экономической точек зрения представляется целесообразной.

2. Информационный расчет подсистемы аналогового ввода

В соответствии с заданием, предстоит контролировать состояние четырёх каналов аналогового ввода, первичные преобразователи двух из которых формируют стандартный сигнал тока в диапазоне от 4 до 20 мА, а двух других каналов - сигнал напряжения в диапазоне от -10 до +10 В. Названные сигналы будут оцифровываться аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) модулей, которые подойдут по частоте дискретизации. Восстановление непрерывных сигналов по отсчётам будет осуществляться интерполирующим устройством, порядок которого предстоит выбрать.

Задана суммарная относительная погрешность преобразования сигналов δ = 0.01. Она выражается через её составляющие следующим образом [6]:

                                                                                  (1)

где - погрешность, вносимая АЦП, а - интерполятором.

Известно [7], что в модулях фирмы Advantech используются АЦП, имеющие разрядность не ниже 12. Разрядность АЦП связана с абсолютной погрешностью Δ АЦП (шумом квантования) выражением [6]:

                                                                                            (2)

где - диапазон входного сигнала, а N - разрядность АЦП.

С учетом (2) выразим относительную погрешность АЦП:

                                                                      (3)

Для 12-разрядного АЦП .

Из формулы (1) следует, что практически вся погрешность тракта преобразования аналоговых сигналов приходится на интерполятор и составляет 0.01. Реализуем выбор интерполятора, исходя из этой погрешности. Интерполяционный метод восстановления широко распространён в информационных системах. Он наиболее приспособлен для обработки сигналов с помощью средств вычислительной техники. В качестве интерполяционного многочлена обычно используют многочлен Лагранжа. Из соображений простоты реализации интерполирующих устройств степень многочлена чаще всего не выше второго порядка. Представим некоторые подробности интерполяционного процесса [6].

Восстановление сигналов с помощью ступенчатой (а) и линейной (б) интерполяции поясняется на рисунке 2.

Рисунок 2 − Восстановление сигналов с помощью ступенчатой (а) и линейной (б) интерполяции

При ступенчатой интерполяции мгновенные значения U(kT) восстанавливаемого сигнала U(t) сохраняются постоянными на всём интервале дискретизации Т (рисунок 2, а). Линейная интерполяция заключается в соединении мгновенных значений U(kT) отрезками прямых, как это показано на рисунке 2, б. Интерполяционный способ восстановления обладает погрешностью, которую на практике часто выражают через максимальное относительное значение [6]

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

Известна максимальная частота FМ в спектре входного аналогового сигнала - 1.2 Гц. Рассчитаем для нее требуемую частоту f дискретизации.

Для ступенчатого интерполятора имеем [6]:

f ≈ 2 FМ/(0.55δИ) = 2*1.2/(0.55*0.01) = 436.4 Гц.

Для линейного интерполятора:

f ≈ 2 FМ/(1.35) = 17.8 Гц.

Для параболического интерполятора:

f ≈ 2 FМ/= 11.14 Гц.

Так как в подсистеме будут использоваться 4 канала аналогового ввода, найденную частоту дискретизации необходимо увеличить в 4 раза для каждого из интерполирующих устройств. Таким образом, частота f дискретизации АЦП искомого модуля должна составлять:

.6 Гц - для ступенчатого интерполятора;

.2 Гц - для линейного интерполятора;

.56 Гц - для параболического интерполятора.

3. Анализ технических средств, разработка структуры подсистемы

По заданию аппаратная часть подсистемы должна быть реализована на модулях фирмы Advantech. Фирма выпускает несколько серий модулей. При выборе будем ориентироваться на найденную в разделе 2 частоту дискретизации, общее число каналов ввода-вывода, на необходимость подключения к сети Ethernet и на показатель цена/качество.

.1 Варианты структуры подсистемы

Отправной точкой в выборе можно считать частоту дискретизации. Она при любом интерполяторе превышает 50 Гц.

В каталоге фирмы [8] присутствует информация о модулях и устройствах ADAM 4000, 5000 и 6000 серий. Только в серии ADAM-5000 имеются модули, поддерживающие названную частоту дискретизации. Поэтому аналоговый ввод необходимо реализовать на модуле этой серии. Модель ADAM-5017H обладает f = 100 Гц суммарно для 8 дифференциальных каналов, допускающих поканальную настройку на нужный вид входного сигнала (ток или напряжение). Однако данный модуль не является интеллектуальным и может работать только в составе базового блока. Фирма выпускает несколько вариантов базовых блоков с разными сетевыми интерфейсами: RS-485, CAN, Ethernet. Очевидно, в соответствии с заданием целесообразно выбрать блок с интерфейсом Ethernet. Из блоков, рассчитанных на разное количество устанавливаемых в них модулей, выберем блок ADAM-5000L/TCP на 4 слота. Модули с каналами аналогового вывода имеются во всех трёх сериях. Это же относится и к модулям дискретного ввода-вывода. Логично оснастить базовый блок ADAM-5000L/TCP модулями серии ADAM-5000 с недостающими каналами. При этом необходимо учесть, что два канала дискретного ввода должны поддерживать датчик типа "сухой контакт". Не все модули дискретного ввода обеспечивают поддержку такого режима.

В серии ADAM-5000 есть универсальный модуль ADAM-5050 на 16 каналов, каждый из которых можно конфигурировать DIP-переключателем на его плате на ввод или вывод, причём каналы дискретного ввода допускают режим "сухой контакт". Аналоговый вывод обеспечит 4-канальный модуль ADAM-5024. В результате структура подсистемы варианта 1 будет выглядеть так, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 - Вариант 1 структуры подсистемы

Оценим стоимость аппаратуры [8] без хоста, т.к. он присутствует в любом варианте подсистемы: 360.62 (ADAM-5000L/TCP) + 236.41 (ADAM-5017H) + 229.97 (ADAM-5024) + 80.14 (ADAM-5050) = 907.14 $

Рассмотрим другие возможные варианты структуры.

Вариант 2 предполагает сочетание модулей серий ADAM-5000 и ADAM-6000. К сожалению, не обойтись без базового блока и модуля ADAM-5017H в нём. Но хуже всего то, что в серии нет модуля аналогового вывода. Его реализует многофункциональный, а потому дорогой (дороже базового блока), модуль ADAM-6024 (483.49 $), имеющий 2 канала аналогового вывода (AO), 6 каналов аналогового ввода (AI) с частотой дискретизации не выше 10 Гц и по 2 канала дискретного ввода (DI) и вывода (DO). Недостающие каналы DI и DO реализуют каналы модуля ADAM-6050 (193.19 $). Ещё потребуется свитч ADAM-6520 (127.49 $). Не трудно заметить, что вариант 2 обойдётся дороже 1000 $ (587.03 + 483.49 + 193.19 = 1263.71 $).

Вариант 3 сочетает базовый блок с модулем ADAM-5017H с интеллектуальными модулями серии ADAM-4000. Среди них необходимо выбрать модули, в которых поддерживается протокол Modbus, т.к. базовый блок поддерживает протокол Modbus/TCP: ADAM-4024 (240.21 $) - 4-канальный модуль AO, ADAM-4055 (наиболее дешёвый и подходящий по условиям задания с ценой на момент проектирования в 122.67 $), имеющий по 8 каналов дискретного ввода и вывода. Так как базовый блок выполняет роль шлюза для устройств, объединённых в сеть на основе интерфейса RS-485, то модули ADAM-4024 и ADAM-4055 могут быть подключены по линиям Data+ и Data- непосредственно к блоку. Затраты на приобретение оборудования в этом варианте составят: 587.03 + 240.21 + 122.67 = 949.91 $. Этот показатель для варианта 1 меньше. К тому же подсистема по первому варианту будет состоять из однородных модулей, что положительно скажется на процессе разработки программного приложения.

Таким образом, в качестве аппаратных средств реализации подсистемы выбираем базовый блок ADAM-5000L/TCP, в слоты которого будут установлены модули ADAM-5017H, ADAM-5024 и ADAM-5050. Представим основные технические характеристики этих устройств.

.2 Технические характеристики устройств подсистемы

Базовый блок ADAM-5000L/TCP.

ADAM-5000L/TCP разработан с высокими аппаратными возможностями ввода-вывода и поддерживает все типы модулей серии ADAM-5000. Имея 4 слота для любых комбинаций модулей, базовый блок может обработать до 64 точек ввода-вывода. В отличие от других базовых блоков, ADAM-5000L/TCP имеет более интеллектуальные возможности диагностики. Система имеет восемь индикаторов на передней стенке процессорного модуля. Пользователи могут отчетливо читать состояние системы, включая питание, CPU, Ethernet соединение, активность связи, уровень передачи, и т.д.