- флэш-ПЗУ: 256 кбайт.
- операционная система: ROM-DOS.
- часы реального времени: встроенные.
- сторожевой таймер: встроенный.
- количество обслуживаемых модулей ввода-вывода: 4.
- последовательных порта: RS-232 и RS-485.
- напряжение изоляции: 3000 В.
Сигналы с имитатора заводятся на модули аналогового ввода ICOS-87017 имеющий 8 дифференциальных каналов, эффективное разрешение 16 бит, входной диапазон: ±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА, напряжение изоляции 1000 В (пост.), частота выборки 10 Гц (общая), входное сопротивление 2 МОм.
Для реализации сброса уровня дистиллята и управления имитатором используется 4 – канальный релейный модуль ICOS-8060. Напряжение пробоя: 500 В. Замыкание (среднее) 3 мс. Размыкание (среднее) 1 мс. Полное время переключения 10 мс.
Питание имитатора производится от 4-канального модуля аналогового вывода ICOS-8024: эффективное разрешение 12 бит; выходной диапазон: 0…20, 4…20 мА, 0…10 В; напряжение изоляции 500 В.
3.2.2 Разработка имитатора процесса получения водорода
На рисунке 3.8 представлена схема имитации сигналов с участка подготовки дистиллята. Она реализует изменение таких параметров как: давление, расход пара перед дистиллятором, повышение и сброс уровня дистиллята в приемном баке.
Рисунок 3.11 - Схема имитации подготовки дистиллята.
Сигналы данной схемы снимаются с шунтов R2, R3 и изменяются с помощью построечного резистора R1 в пределах от 0 до 10 В. Для имитации изменения уровня дистиллята в баке снимается напряжение с конденсатора С1. При достижении нужной величины напряжения конденсатор С1 разряжается на сопротивление нагрузки R5 с помощью реле модуля I-8060. Чтобы исключить влияние изменения напряжения С1, на общую схему используется микросхема.
Расчет сопротивлений R1, R2, R3 производится по закону Ома при питании схемы 10 В и токе 20 мА. Примем R1=0 Ом, то R2 равно:
R2=10В/20мА = 500 Ом
Для обеспечения изменения Uвых= 0,1В –10В берем соотношение R2:R1, как 1:10 следовательно R1=5 кОм.
Время заряда конденсатора определяется зависимостью: 3Т=RC.
Примем время заряда С1 600с, емкость С1=1000 мФ, тогда:
R4= 3000/600 = 500 Ом
Рисунок. 3.12 - Схема имитации электролизера
На рисунке 3.12 представлена электрическая схема имитации сигналов датчиков электролизёра. Она реализует изменение температуры водорода, кислорода, электролита под влиянием изменения силы тока, подаваемого на электроды, а также интенсивности охлаждения газов в разделительных колонках. Имитация изменения температуры водорода реализуется по плечу схемы R3R4, а кислорода по плечу R2R5. Влияние силы тока на процесс электролиза осуществляется с помощью реостата R1. С сопротивления резистора R6 снимается напряжение, показывающее изменение температуры электролита. Для исключения взаимного влияния токов, протекающих по цепям R3R4 и R2R5, в эти цепи включены диоды VD1,VD3 и VD2,VD4 соответственно. Данная схема позволяет с помощью реле К1 и К2 модуля I-8060 реализовать аварийную ситуацию выхода из строя одной из разделительных колон. Номиналы элементов сведены в таблице
Рисунок 3.13 - Схема имитации разделительных колонн.
Представленная схема на рисунке 3.13 формирует сигналы датчиков, контролирующих изменение давления кислорода и водорода в колоннах, а также концентрацию этих газов друг в друге. Элементы, реализующие изменение данных параметров не зависят друг от друга и собраны в параллельную схему.
Выходной сигнал каждой цепи должен изменятся в пределах от 0.1 до 10 В. Для этого используем цепь, состоящую из двух резисторов, переменного Rпер и постоянного Rпост. Примем Rпер=0, тогда Rпост равно:
Rпост=10В/20мА=500 Ом
Для реализации заданного предела максимальное значение Rпер должно быть равно 5кОм. В схеме, изображенной на рисунке 3.6 Rпер. =R1=R2=R3=R4, а Rпост.=R5=R6=R7=R8.
Рисунок 3.14 - Схема питания имитатора сигналов.
Питание имитатора осуществляется постоянным током от модуля аналогового вывода I-8024. Данный модуль обеспечивает изменение напряжения от 1 до 10 В при максимальном токе 5 мА. Для питания имитатора требуется минимальный ток 20 мА. Поэтому, для увеличения тока питания, подаваемого от I-8024, используем эмиттерный повторитель тока с питанием от блока с напряжением 24 В. Данная схема приведена на рис. 3.14.
На рисунке 3.15 представлена общая схема имитатора. Внешний вид и фотография разработанного имитатора представлен на рисунке 3.17., 3.18.
Рисунок 3.16 - Внешний вид имитатора
3.17 – Имитатор сигналов
4 РАЗРАБОТКА ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАМНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ SCADA-СИСТЕМЫ
4.1 Выбор программного обеспечения
При проектировании современных систем автоматизации вопросу выбора системного и прикладного программного обеспечения уделяется не меньше внимания, чем вопросу выбора КТС. ПО, в зависимости от конечного пользователя, может представлять как среду исполнения и исполнительную среду, так и среду проектирования и среду представления, тем самым образуя связь всех уровней технических средств между собой и оператором. От надёжности работы системного программного обеспечения зависит функциональность всей системы автоматизации в целом. Исходя из задач АСУТП к системному ПО выдвигались следующие основные требования:
- высокая производительность;
- малая ресурсоёмкость;
- надёжность;
- многозадачность в реальном масштабе времени;
- развитость и высокая скорость графического интерфейса;
- поддержка всех распространённых сетевых протоколов.
Рассмотрев варианты операционных систем начиная от широко распространённых MS - DOS и Windows 9x и заканчивая узко специализированными QNX и SNA была выбрана операционная система Windows NT Workstation.
Операционная система Windows NT Workstation позиционируется прежде всего как клиент в сетях Windows NT Server, а также в сетях NetWare, Unix, Vines. В сетях NetWare рабочие станции Windows NT восполняют известный пробел - отсутствие хорошего сервера приложений. Компьютер с установленной на нем Windows NT может быть рабочей станцией и в одноранговых сетях, выполняя одновременно функции и клиента, и сервера. Windows NT Workstation может применяться в качестве ОС автономного компьютера, если необходимы повышенная производительность или секретность, а также при реализации сложных графических приложений, например, в системах автоматизированного управления и проектирования. Таким образом Windows NT -сетевая операционная система с приложениями для Internet, сервисами файлов и печати, службой удаленного доступа, встроенным маршрутизатором, индексированием файлов и управлением сетью.
При выборе операционной системы учитывалось наличие в Windows NT Workstation распределенной модели объектной компоновки (Distributed Component Object Model). Модель объектной компоновки (СОМ) позволяет разработчикам программ создавать приложения, состоящие из отдельных компонент. Распределенная модель (DCOM) в Windows NT 4.0 расширяет СОМ таким образом, что позволяет отдельным компонентам взаимодействовать через Internet. DCOM является растущим стандартом Internet, опубликованным в соответствии с форматом, определенным в спецификациях RFC 1543. Стандарт передачи данных DCOM находит широкое применение в современных промышленных системах сбора и обработки информации.
Очень важным аспектом операционной системы Windows NT является её надёжность и отказоустойчивость (reliability and robustness) обеспечивающиеся архитектурными особенностями, которые защищают прикладные программы от повреждения друг другом и операционной системой. Windows NT использует отказоустойчивую структурированную обработку особых ситуаций на всех архитектурных уровнях, которая включает восстанавливаемую файловую систему NTFS и обеспечивает защиту с помощью встроенной системы безопасности и усовершенствованных методов управления памятью.
В таблице 4.1 приведены сравнительные характеристики различных версий операционных систем Windows.
Таблица 4.1 - Сравнительные характеристики ОС Windows
|
|
Windows 3.11 |
Windows 95 |
Windows NT 3.51 |
Windows XP |
|
Рекомендуемый объем ОЗУ, Мбайт |
2 |
2 |
16 |
128 |
|
Требуемый процессор |
386Х |
486DX |
486DX |
PentiumIII-300 |
|
Минимальное необходимое пространство на диске Мбайт |
7 |
30 |
90 |
500 |
|
Файловая система |
FAT |
FAT,FAT32 |
FAT,NTFS |
FAT,NTFS |
|
Поддержка Plug&Play |
нет |
да |
да |
Да |
|
Пароль при запуске ПК |
нет |
да |
да |
Да |
|
Программы DOS |
да |
да |
да |
Да |
|
Программы Windows 3.1 |
да |
да |
да |
да |
|
Вмести в одной виртуальной DOS-машине |
да |
да |
да |
да |
В качестве прикладного программного обеспечения использовался набор утилит фирмы IPC "7000 Utiliti". Данный набор утилит позволяет производить программное объединение используемых модулей аналогового и дискретного ввода/вывода а также производить диагностику и первичную настройку этих модулей. Настройка производится по следующему алгоритму:
Модуль серии I-8000 должен подключаться к компьютеру через преобразователь интерфейса I-7520. На клеммы питания преобразователя и модуля необходимо подать постоянное напряжение 24В соответствующей полярности. Клеммы данных модуля и преобразователя интерфейса следует соединить в соответствии со знаком.
Для запуска утилиты необходимо: в меню «Пуск» -> «Программы» найти группу «7000 utility» и запустить программу «7000 util».
Для поиска модулей сначала необходимо настроить параметры последовательного порта (рисунок 4.1).
Рисунок 4.1 – настройки порта
Для этого необходимо нажать кнопку «ComPort». В появившемся окне выбрать порт №1 «COM1», скорость обмена 115200 и нажать кнопку «ОК».
Далее необходимо нажать кнопку поиска модулей «Search» (рисунок 4.2). Затем в раскрывшемся окне запустить поиск (кнопка пуск « » ). Через некоторое время ниже появиться список найденных модулей (после появления искомого модуля можно приостановить поиск кнопкой пауза).
При нажатии на выбранный из списка модуль появляется окно настройки и тестирования модуля (рисунок 4.3). Например: для модуля I-8017 необходимо установить величину и тип входного сигнала. При нажатии на кнопку "Run" наличие сигнала на каждом канале, после чего нажать кнопку "Stop".
Рисунок 4.2 – Поиск модулей
Рисунок 4.3 – Окно настройки модулей
4.2 Выбор SCADA-системы
4.2.1 Определение и общая структура SCADA
SCADA – процесс сбора информации реального времени с удаленных точек (объектов) для обработки, анализа и возможного управления удаленными объектами. Требование обработки реального времени обусловлено необходимостью доставки (выдачи) всех необходимых событий (сообщений) и данных на центральный интерфейс оператора (диспетчера). В то же время понятие «реального времени» отличается для различных SCADA-систем. Прообразом современных систем SCADA на ранних стадиях развития автоматизированных систем управления являлись системы телеметрии и сигнализации.Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента (рисунок 4.4).
Remote Terminal Unit (RTU) – удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени; в зависимости от конкретного применения может представлять собой от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Применение устройств низкоуровневой обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи с центральным диспетчерским пунктом.
Master Terminal Unit (MTU), Master Station (MS) – диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило в режиме мягкого (квази-) реального времени; одна из основных функций – обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой (HMI, MMI). В зависимости от конкретной системы MTU может быть реализован в виде от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных систем (мэйнфреймов) и/или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Как правило, и при построении MTU используются различные методы повышения надежности и безопасности работы системы.
Communication System (CS) – коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU (или удаленный объект – в зависимости от конкретного исполнения системы).
Рисунок 4.4 - Основные функциональные компоненты SCADA-системы
Можно выделить четыре основных функциональных компонента SCADA-систем:
- человек-оператор;
- компьютер взаимодействия с человеком;
- компьютер взаимодействия с задачей (объектом);
- задача (объект управления).
Особенности процесса управления в современных диспетчерских системах сосредоточены в следующих положениях:
- процесс SCADA применяется в системах, в которых обязательно наличие человека (оператора, диспетчера);
- процесс SCADA был разработан для систем, в которых любое неправильное воздействие может привести к отказу (потери) объекта управления или даже катастрофическим последствиям;
- оператор несет, как правило, общую ответственность за управление системой, которая, при нормальных условиях, только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимальной производительности;
- активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени, обычно в случае наступления критических событий (отказы, нештатные ситуации и пр.);
- действия оператора в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами или даже секундами).
К SCADA-системам предъявляются следующие основные требования:
- надежность системы (технологическая и функциональная);
- безопасность управления;
- точность обработки и представления данных;
- простота расширения системы.
Требования безопасности и надежности управления в SCADA включают:
- любой единичный отказ оборудования не должен вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;
- любая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;
- все операции по управлению должны быть интуитивно-понятными и удобными для оператора (диспетчера).
Таблица 4.2 - Сравнительная характеристика SCADA-систем, представленных на российском рынке
|
|
Название продукта |
Bridge WIEV |
cimplisity HMI |
FIX |
iFIX Dynamics |
iconics Genesys |
Sitect 6.0 |
RealFlex for QNX |
Sitex for QNX |
Trase Mode 5/04 |
Simatic WinCC |
|
|
Фирма-разработчик |
National Instruments, США |
GE FANUC Automation США |
Intellution, США |
Intellution, США |
Iconics, США |
Sitect Австралия |
RealFlex System inc, США |
Jade Software Великобр. |
AdAstra, Россия |
Siemens AG, Германия |
|
О т к р ы т о с т ь |
|||||||||||
|
|
Управл. PLC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
через DDE |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
через DLL |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
через OLE |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
через OPC |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
2 |
Обмен с прилож |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
через API |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
через DLL |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
через COM |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
через OLE |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
К о н т р о л л е р ы |
|||||||||||
|
3. |
Какие поддерж. |
|
пр. все |
>300 |
>300 |
|
>800 |
>130 |
>70 |
>300 |
S* и др |
|
4. |
П. шины canbus |
+ |
|
|
|
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
|
-"- profibus |
+ |
|
|
|
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
-"- fieldbus |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
-"- Modbus |
|
|
|
|
|
|
+ |
+ |
|
+ |
|
5. |
Связь с PLC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
напрямую |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
собств. проток. |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
пром. шина |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Таблица 4.2- Продолжение
|
|||||||||||
|
|
Название продукта |
Bridge WIEV |
cimplisity HMI |
FIX |
iFIX Dynamics |
iconics Genesys |
Sitect 6.0 |
RealFlex for QNX |
Sitex for QNX |
Trase Mode 5/04 |
Simatic WinCC |
|
|
третьей фирмы |
+ |
редко |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
А л а р м ы |
|||||||||||
|
6. |
Уровни приорит. |
255 |
задаёт |
16 |
∞ |
1000 |
999 |
5 |
99 |
23 |
256 |
|
7. |
Ген. e-mail сооб. |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Все пакеты включают группирование алармов, онлайновую фильтрацию, алармы по нижним и верхним уровням изменения параметров по скорости и уровню, автоматическую реакцию |
|||||||||||
|
В о з м о ж н о с т и H M I |
|||||||||||
|
Все пакеты имеют объектно-ориентированный графический редактор библиотеку стандартных графических символов, библиотеку сложных графических объектов, стандартные возможности оконного редактирования, возможность работы с трендами, возможность навигации по страницам изображения, анимацию, мультимедиа. |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С и с т е м а о т ч ё т о в |
|||||||||||
|
8. |
Встроен ген отч. |
+ |
+ |
|
|
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
9. |
Метод вырез\вст. |
+ |
+ |
|
|
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
10. |
Печать и архив. |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
О п ц и и / А в т о м а т и з а ц и я |
|||||||||||
|
11. |
Статист. Управл. |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
12. |
Поддерж. Рецеп. |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
13. |
Нечёткая логика |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
|
+ |
+ |
с Simatic |
|
14. |
Автообр. Событии. |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
П о д д е р ж и в а е м ы е О С |
|||||||||||
|
15. |
Win. 95 |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
|
|
+ |
+ |
|
|
Win. NT |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
+ |
+ |
