Проектирование универсального рабочего места для проверки работоспособности приборов системы автоматического управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

автоматический управление интерфейс протокол

Автоматическое управление в технике - совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления.

Система автоматического управления (САУ) поддерживает или улучшает функционирование управляемого объекта. САУ функционирует в основном в составе производственного или какого-либо другого комплекса. САУ широко применяется во многих технических и биотехнических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда, качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для здоровья. Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины - выходной величины управляемого объекта. Для осуществления цели управления, с учётом особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта - управляющее воздействие. Оно предназначено также для компенсации эффекта внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством управления (УУ). Совокупность взаимодействующих управляющего устройства и управляемого объекта образует систему автоматического управления.

Для отладки и проведения приемо-сдаточных испытаний САУ разрабатываются системы контроля и проверки, одной из которых является аппаратура автономной проверки (ААП), представляющая из себя совокупность функционально объединенных приборов контроля, преобразователей и вспомогательных устройств, предназначенных для проверки объектов контроля (ОК) на предприятии-изготовителе и на внешних позициях для входного контроля.

На данный момент существует различные способы автономных проверок ОК:

проверка ОК путём сравнения их сигналов с сигналами аналогичных исправных объектов - эталонов, недостаток - высокая стоимость тестирования из-за обязательного наличия эталонов количественно равных номенклатуре проверяемых ОК;

проверка ОК путем построения специализированного пульта, недостаток - пульты не являются универсальными и для проверки другого в ОК требуется разработка нового пульта;

проверка с помощью модульной программируемой системы.

Разработанная в ходе дипломирования универсальная станция рабочего места (СРМ) может входить в состав аппаратуры автономной проверки различных систем управления. Её модульная структура обеспечивает имитацию различных сигналов поступающих в прибор от внешних систем и датчиков, проверку выдачи испытуемым прибором управляющих команд во внешние системы, а также реакцию прибора на принимаемые сигналы в соответствии с ТЗ на разработку.

Возможности СРМ могут увеличиваться путем соединения последовательным каналом с другой аналогичной станцией.

Рабочая станция осуществляет два режима работы:

- ручной (для проверки отдельных блоков объекта контроля);

- автоматический (для приемо-сдаточных испытаний)

На данной СРМ в ближайшем будущем планируется проверка следующих приборов, разрабатываемых на предприятии:

- САУ автономного дизель-генератора (САУ АДГ 1000НК)

- Блока управления (БУ) системы управления судовым дизель- генератором У30АМ-У39М, У82ММ

- Блок управления пульта управления водоохлаждающей холодильной машиной.

Выбор комплектующих рабочей станции и станции и плат расширения. Выбор интерфейса и протокола информационного обмена с объектом контроля

После анализа технических условий, сигналов и команд приборов, которые будут проверяться рабочей станцией, было принято решение разработать СРМ на базе промышленного компьютера с кросс-платой.

Следующим этапом разработки стал выбор процессорной платы, плат расширения, кросс-платы и других комплектующих.

Важным условием было заложить резерв для проверки других приборов имеющих аналогичные сигналы и команды.

В настоящее время для решения различных промышленных задач существует множество плат, которые делятся на несколько основных категорий.

Основным узлом, определяющим характеристики компьютерной системы, является процессорная плата. Решение на основе процессорной платы является более гибким с точки зрения ремонта или модернизации системы и главное является более устойчивым к ударным и вибрационным нагрузкам. Многие модели процессорных плат имеют несколько исполнений с различным сочетанием устройств, интегрированных на плате. Выбор конкретной модели процессорной платы определяется задачей, для реализации которой будет использован компьютер, условиями эксплуатации, требуемыми габаритами. Несмотря на отличия в конструкции, все эти типы плат объединяет одно - полное соответствие открытой архитектуре РС-совместимого компьютера. Это означает совместимость не только по элементной базе, но и возможность применять платы расширения, периферийное оборудование, программное обеспечение, предназначенное для работы в обычном РС-совместимом компьютере.

Пассивные объединительные платы (кросс-платы, англ. Backplane) - наряду с одноплатными компьютерами являются ключевым элементом конструкции промышленного компьютера. От крайней чувствительности к ударам и вибрациям свободны конструкции на базе горизонтально расположенной кросс-платы, в которую вертикально устанавливается одноплатный компьютер. Такая кросс-плата имеет существенно большее число точек крепления и повышенную жесткость, что позволяет более успешно противостоять вредоносным воздействиям. В настоящее время кросс-платы выпускаются с разным общим количеством и набором слотов. Типовые кросс-платы для корпусов для установки в 19" стойку высотой 4U имеют, как правило, порядка 12-14 свободных слотов в различных сочетаниях. Платы с 18-20 слотами предназначены для установки в "двухярусные" корпуса высотой 6 и более U. Платы с числом слотов 10 и менее, как правило, устанавливаются в компактные настольно-настенные корпуса.

В кросс-плату устанавливаются процессорная плата и программируемые платы расширения, сбора данных и управления для установки в промышленный или персональный ПК.

Платы расширения - это стандартные модули, выпускаемые в серийном производстве различными специализирующимися на этом фирмами. Существует возможность программирования различных задач современного производства, с помощью функций, изначально заложенных в них. К таким платам относятся платы аналогового и цифрового ввода-вывода, интерфейсные платы.

Условия проектирования предполагали выбор кросс-платы и плат расширения с разъемами стандартов системных шин PCI и ISA.

Системная шина предназначена для передачи информации между процессором и остальными электронными компонентами компьютера.

По системной шине осуществляется адресация устройств и происходит обмен специальными служебными сигналами. Упрощенно системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных но назначению (данные, адреса, управление).

Системная шина представляет собой набор проводников электрических сигналов и систему протоколов соединения устройств при помощи этих проводников. Тип и характеристики протоколов передачи информации по системной шине определяют скорость передачи информации между отдельными устройствами кросс-платы. Системные шины стандартизируются как по числу контактов и разрядности (числу проводников, используемых для одновременной передачи данных), так и по протоколам общения устройств через проводники. Системная шина соединяет все устройства компьютера в единое целое и обеспечивает их взаимодействие, взаимоуправление и работу с центральным процессором.

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) применяется начиная с процессора i80286. Гнездо для плат расширения включает основной 64-контактный и дополнительный 36-контактный разъемы. Шина 16-разрядная, имеет 24 адресные линии, обеспечивает прямое обращение к 16 Мбайт оперативной памяти. Количество аппаратных прерываний -- 16, каналов DMA -- 7. Допускается возможность синхронизации работы шины и процессора разными тактовыми частотами. Тактовая частота -- 8 МГц. Максимальная скорость передачи данных -- 16 Мбайт/с.

Шина PCI (Peripherals Connection Interface) разработана фирмой Intel. В отличие от VLB, она может использоваться вне зависимости от типа процессора и в иных компьютерных платформах. Эта шина является стандартом для систем на базе Pentium. К шине подключается до 10 устройств. Шина работает на фиксированной частоте 33 МГц, обеспечивает режим автоконфигурации PnP (Plug and Play). Шина использует 124-контактный (32-разрядная) или 188-контактный разъем (64-разрядная передача данных). Скорость обмена -- до 264 Мбайт/с. Спецификация PCI 2.1 обеспечивает работу с частотой 66 МГц и скорость обмена до 520 Мбайт/с.

Платы аналогового и цифрового ввода-вывода электрических сигналов (ЦАП, АЦП, ЦВВ ) для шин ISA или PCI позволяют решать разнообразные задачи, связанные с контролем и обработкой данных быстро меняющихся процессов, а также задачи управления связанные с выдачей выходных сигналов одновременно по нескольким каналам. Это идеальное решение для промышленных приложений с большим количеством аналого-цифровых каналов и невысокой стоимостью, для получения данных в исследовательских прикладных задачах. Платы ввода-вывода используются для управления и приема данных с различных датчиков, преобразователей и измерительных приборов, обеспечивают высокую скорость обмена данными, обладают высокой надежностью и производительностью, снабжены производителем драйверами для различных систем программирования.

Ранее созданная в отделе подобная аппаратура проверки работала с модулями, разработанными на предприятии. Так, например, в имитатор смежных систем, использующийся для проверки САУ АДГ - 630, САУ АДГ - 1000 НК, входят модуль автоматического управления (МАУ), модули выдачи команд (модуль К), модули приема релейных сигналов (МПРС), блок питания МАУ, изображенные на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 Модули ИСС

Выбор комплектующих и их заказ производился по каталогам компании ПРОСОФТ(ProSoft). Компания ПРОСОФТ на протяжении многих лет занимается поставками комплектующих для создания промышленных компьютеров и серверов.

Таблица

Тип	Характеристики
PCI-1612CU/9-АЕ Интерфейсная плата	· 4 независимых порта RS-232/422/485 (16PCI954 UART) · Скорость передачи до 921,6 кбит/с · Автоматическое управление направлением передачи для RS- 485 · Защита от перенапряжения до 2500 В пост. тока (PCI-1612B/1612U/1612CU) · Напряжение изоляции 2500 В пост. тока (PCI-1612CU) · Шина PCI с универсальным питанием (PCI-1612U/1612CU) · Программная поддержка в среде Windows 98/ME/2000/XP, Linux
PCI-1715U-АЕ 32-канальная плата аналогового ввода с гальванической изоляцией	· АЦП 12 разрядов · Частота выборки 500К отсчетов/с · 16 дифференциальных или 32 потенциальных входов · Программируемый коэффициент усиления для каждого канала · Буфер FIFO на 1К отсчётов · Шина PCI с универсальным питанием · Гальваническая изоляция 2500 В пост.тока
PCI-1724U-АЕ Плата многоканального ЦАП с гальванической изоляцией	· 32 канала, 14 разрядов · Напряжение изоляции 1500 В · Выходные сигналы: ±10 В, 0...20 мА, 4...20 мА · Время установления сигнала 60 мкс · Режим синхронизации выходов · Функция сохран. значения выходного сигнала при несанкционир. перезапуске системы
IPC-630BP корпус
PCA-6114 пассивная кросс-панель
Е7500 процессор
DIMM DDR2 модуль памяти
HDD-100 жесткий диск
FDD-3,5 привод магнитный
76760 монитор
KEYBOARD USB клавиатура
123253 мышь
PCL-10137 кабель соединительный	· Кабель с двойным экранированием и 37-контактными разъемами типа D-sub · 2 разъема типа «папа», цвет голубой · Запаянный многожильный медный провод с одним проводом заземления · Медный кабель с двойным экранированием, алюминиевой/майларовой пленкой и оплеткой · Изоляционная оболочка кабеля из ПВХ · Соответствие стандарту UL20397 · Цвет слоновой кости
PCL-10162 кабель соединительный

Для облегчения разработки пользователем собственных программ, все указанные функциональные платы снабжены от промзводителя драйверами для таких популярных в настоящее время систем программироания, как C/C++, VB, Delphi, C++ Builder, также имеются драйверы для LabVIEW, и MATLAB. После завершения выбора плат и комплектующих, была выпущена спецификация на рабочую станцию рабочего места.

Сборка

Перед началом сборки следует выполнить все пункты руководства по технике безопасности.

На первом этапе сборки в корпус горизонтально устанавливается кросс-панель. После этого устанавливается процессорная плата, оперативная память, жесткий диск, оптический привод, дисковод.

Платы расширения вставляются слоты РСI вертикально. Кабели, входящие в комплект плат расширения подключаются к разъемам, выведенным на заднюю стенку корпуса.

Закрываем верхнюю крышку компьютера. Подсоединяем внешние устройства: клавиатуру, мышь, монитор. Включаем в сеть. Включаем компьютер.

Устанавливаем операционную систему Windows XP. Загружаем драйвера для вспомогательного оборудования и плат расширения.

В поставке вместе с платами на диске есть специальные проверочные программы для тестирования плат на наличие ошибок в работе. После установки драйверов следует проверить платы с помощью этих программ.

RS-485 является стандартом используемым практически во всех современных САУ, произведенных в России.

Стандарт RS-485 был совместно разработан двумя ассоциациями производителей: Ассоциацией электронной промышленности (EIA - Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA - Telecommunications Industry Association). EIA некогда маркировала все свои стандарты префиксом "RS" (Рекомендованный стандарт). EIA/TIA официально заменил "RS" на "EIA/TIA" с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов. На сегодняшний день, различные расширения стандарта RS-485 охватывают широкое разнообразие приложений, этот стандарт стал основой для создания целого семейства промышленных сетей широко используемых в промышленной автоматизации.

В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных часто используется единственная витая пара проводов. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности -- ноль.

RS-485, определяющий двунаправленную полудуплексную передачу данных, является единственным стандартом EIA/TIA, допускающим множественные приемники и драйверы в шинных конфигурациях, в отличии, например, от также распространенных в промышленности EIA/TIA-422, EIA/TIA-232 (RS-422, RS-232), определяющих единственный однонаправленный драйвер с множественными приемниками.

Таблица - Краткая характеристика EIA/TIA-485

Стандарт	EIA RS-485
Скорость передачи	10 Мбит/с (максимум)
Расстояние передачи	1200 м (максимум)
Характер сигнала, линия передачи	дифференциальное напряжение, скрученная пара
Количество драйверов	32
Количество приемников	32
Схема соединения	полудуплекс, многоточечная

Количество соединяемых устройств

Количество устройств, подключаемых к одной линии интерфейса, зависит от типа примененных в устройстве приемопередатчиков. Один передатчик рассчитан на управление 32 стандартными приемниками. Выпускаются приемники со входным сопротивлением 1/2, 1/4, 1/8 от стандартного. При использовании таких приемников общее число устройств может быть увеличено соответственно: 64, 128 или 256.

Протоколы и разъемы

Стандарт не нормирует формат байта и протокол обмена. Наиболее часто для передачи байтов данных используют формат: стартовый бит, 8 бит данных, бит паритета (если нужно), 1 стоповый бит.

Протоколы обмена в большинстве систем работают по принципу "ведущий"-"ведомый". Одно устройство на магистрали является ведущим (master) и инициирует обмен посылкой запросов подчиненным устройствам (slave), которые различаются логическими адресами. Одним из популярных протоколов является протокол Modbus RTU.

Подключение

Рисунок - Схема подключения RS-485

На рисунке изображена локальная сеть на основе интерфейса RS-485, объединяющая несколько приемо-передатчиков.

Лучшей средой передачи сигнала является кабель на основе витой пары. Концы кабеля должны быть заглушены терминальными резисторами (обычно 120 Ом). Сеть должна быть проложена по топологии шины, без ответвлений. Устройства следует подключать к кабелю проводами минимальной длины.

Витая пара является оптимальным решением для прокладки сети, поскольку обладает наименьшим паразитным излучением сигнала и хорошо защищена от наводок. В условиях повышенных внешних помех применяют кабели с экранированной витой парой, при этом экран кабеля соединяют с защитной "землёй" устройства.

Согласование

Терминальные резисторы обеспечивают согласование "открытого" конца кабеля с остальной линией, устраняя отражение сигнала.

Номинальное сопротивление резисторов соответствует волновому сопротивлению кабеля, и для кабелей на основе витой пары обычно составляет 100 - 120 Ом.

Уровни сигналов

Интерфейс RS-485 использует балансную (дифференциальную) схему передачи сигнала. Это означает, что уровни напряжений на сигнальных цепях А и В меняются в противофазе, как показано на приведенном ниже рисунке:

Рисунок - Изменение уровней напряжения на сигнальных цепях

Передатчик должен обеспечивать уровень сигнала 1,5 В при максимальной нагрузке (32 стандартных входа и 2 терминальных резистора) и не более 6 В на холостом ходу. Уровни напряжений измеряют дифференциально, один сигнальный провод относительно другого.

На стороне приемника RS-485 минимальный уровень принимаемого сигнала должен быть не менее 200 мВ.

Стандарт RS-485 оговаривает только электрические характеристики, физический уровень (среду), но не программную платформу.

Стандарт RS-485 не оговаривает:

- возможность объединения несимметричных и симметричных цепей,

- параметры качества сигнала, уровень искажений (%),

- методы доступа к линии связи,

- протокол обмена,

- аппаратную конфигурацию (среда обмена, кабель),

- типы соединителей, разъёмов, колодок, нумерацию контактов,

- качество источника питания (стабилизация, пульсация, допуск),

- отражения в длинных линиях.

Сетевые протоколы, работающие поверх RS-485

- LanDrive

- ProfiBus DP

- ModBus

- DMX512

- Овен

- HDLC

- DCON

Промышленные сети, построенные на основе RS-485

- LanDrive

- ProfiBus DP

- ModBus

Из протоколов информационного обмена, работающих RS-485, был выбран протокол ModBus RTU. Этот протокол широко используется на НПО «Автоматика» для построения магистральных систем RS-485. Он прост и надежен, хорошо зарекомендовал себя в условиях эксплуатации уже существующих приборов. Множество стандартных изделий, приобретаемых предприятием, работают по протоколу ModBus RTU.

Modbus -- коммуникационный протокол, основанный на клиент-серверной архитектуре. Разработан фирмой Modicon для использования в контроллерах с программируемой логикой (PLC). Стал стандартом промышленности и широко применяется для организации связи промышленного электронного оборудования. Использует для передачи данных последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, а также сети TCP/IP.

Протокол Modbus описывает единый простой формат передачи данных PDU (Protocol Data Unit). Структура PDU не зависит от типа линии связи и включает в себя код функции и поле данных. Код функции кодируется однобайтовым полем и может принимать значения в диапазоне 1…127. Диапазон значений 128…255 зарезервирован для кодов ошибок. Поле данных может быть переменной длины. Размер пакета PDU ограничен 253 байтами. Для передачи пакета по физическим линиям связи PDU помещается в другой пакет, содержащий дополнительные поля. Этот пакет носит название ADU (Application Data Unit). Формат ADU зависит от типа линии связи. Общая структура ADU следующая (в зависимости от реализации, некоторые из полей могут отсутствовать):

адрес ведомого устройства код функции данные блок обнаружения ошибок

- адрес ведомого устройства - адрес подчинённого устройства, к которому адресован запрос. Ведомые устройства отвечают только на запросы, поступившие в их адрес. Ответ также начинается с адреса отвечающего ведомого устройства, который может изменяться от 1 до 247. Адрес 0 используется для широковещательной передачи, его распознаёт каждое устройство, адреса в диапазоне 248...255 - зарезервированы;

- номер функции - это следующее однобайтное поле кадра. Оно говорит ведомому устройству, какие данные или выполнение какого действия требует от него ведущее устройство;

- данные - поле содержит информацию, необходимую ведомому устройству для выполнения заданной мастером функции или содержит данные, передаваемые ведомым устройством в ответ на запрос ведущего. Длина и формат поля зависит от номера функции;

- блок обнаружения ошибок - контрольная сумма для проверки отсутствия ошибок в кадре.

Максимальный размер ADU для последовательных сетей RS232/RS485 - 256 байт, для сетей TCP - 260 байт.

Modbus относится к протоколам прикладного уровня сетевой модели OSI. Контроллеры на шине Modbus взаимодействуют, используя клиент-серверную модель, основанную на транзакциях, состоящих из запроса и ответа.

Обычно в сети есть только один клиент, так называемое, «главное» (англ. master) устройство, и несколько серверов - «подчиненных» (slaves) устройств. Главное устройство инициирует транзакции (передаёт запросы). Подчиненные устройства передают запрашиваемые главным устройством данные, или производят запрашиваемые действия. Клиент может адресоваться индивидуально к подчиненному или инициировать передачу широковещательного сообщения для всех подчиненных устройств. Подчиненное устройство формирует сообщение и возвращает его в ответ на запрос, адресованный именно ему. При получении широковещательного запроса ответное сообщение не формируется.

Категории кодов функций

В действующей в настоящее время спецификации протокола определяются три категории кодов функций:

Стандартные команды

Их описание должно быть опубликовано и утверждено Modbus-IDA. Эта категория включает в себя как уже определенные, так и свободные в настоящее время коды.

Пользовательские команды

Два диапазона кодов (от 65 до 72 и от 100 до 110), для которых пользователь может реализовать произвольную функцию. При этом не гарантируется, что какое-то другое устройство не будет использовать тот же самый код для выполнения другой функции.

Зарезервированные команды

В эту категорию входят коды функций, не являющиеся стандартными, но уже используемые в устройствах, производимых различными компаниями. Это коды 9, 10, 13, 14, 41, 42, 90, 91, 125, 126 и 127.

Модель данных

Одно из типичных применений протокола - чтение и запись данных в регистры контроллеров. Спецификация протокола определяет четыре таблицы данных:

Таблица - Спецификация протокола ModBus

	Тип элемента	Тип доступа
Дискретные входы (Discrete Inputs)	один бит	только чтение
Регистры флагов (Coils)	один бит	чтение и запись
Регистры ввода (Input Registers)	16-битное слово	только чтение
Регистры хранения (Holding Registers)	16-битное слово	чтение и запись

Доступ к элементам в каждой таблице осуществляется с помощью 16-битного адреса, первой ячейке соответствует адрес 0. Таким образом, каждая таблица может содержать до 65536 элементов. Спецификация не определяет, что физически должны представлять собой элементы таблиц и по каким внутренним адресам устройства они должны быть доступны. Например, допустимо организовать перекрывающиеся таблицы, В этом случае команды работающие с дискретными данными и с 16-битными регистрами будут фактически обращаться к одним и тем же данным.

Таблица - Стандартные функции протокола Modbus

PDU запроса и ответа для стандартных функций
номер функции	запрос/ответ
1 (0x01)	A1	A0	Q1	Q0
	N	D (N байт)
2 (0x02)	A1	A0	Q1	Q0
	N	D (N байт)
3 (0x03)	A1	A0	Q1	Q0
	N	D (N байт)
4 (0x04)	A1	A0	Q1	Q0
	N	D (N байт)
5 (0x05)	A1	A0	D1	D0
	A1	A0	D1	D0
6 (0x06)	A1	A0	D1	D0
	A1	A0	D1	D0
15 (0x0F)	A1	A0	Q1	Q0	N	D (N байт)
	A1	A0	Q1	Q0
16 (0x10)	A1	A0	Q1	Q0	N	D (N байт)
	A1	A0	Q1	Q0

A1 и A0 -- адрес элемента,

Q1 и Q0 -- количество элементов,

N -- количество байт данных

D -- данные

Чтение данных

Для чтения значений из перечисленных выше таблиц данных используются функции с кодами 1--4 (шестнадцатеричные значения 0x01-0x04):

1 (0x01) -- чтение значений из нескольких регистров флагов (Read Coil Status)

2 (0x02) -- чтение значений из нескольких дискретных входов (Read Discrete Inputs)

3 (0x03) -- чтение значений из нескольких регистров хранения (Read Holding Registers)

4 (0x04) -- чтение значений из нескольких регистров ввода (Read Input Registers)

Запрос состоит из адреса первого элемента таблицы, значение которого требуется прочитать, и количества считываемых элементов. Адрес и количество данных задаются 16-битными числами, старший байт каждого из них передается первым.

В ответе передаются запрошенные данные. Количество байт данных зависит от количества запрошенных элементов. Перед данными передается один байт, значение которого равно количеству байт данных.

Значения регистров хранения и регистров ввода передаются начиная с указанного адреса, по два байта на регистр, старший байт каждого регистра передаётся первым.

Значения флагов и дискретных входов передаются в упакованном виде: по одному биту на флаг. Единица означает включённое состояние, ноль - выключенное. Значения запрошенных флагов заполняют сначала первый байт, начиная с младшего бита, затем следующие байты, также от младшего бита к старшим. Младший бит первого байта данных содержит значение флага, указанного в поле «адрес». Если запрошено количество флагов, не кратное восьми, то значения лишних битов заполняются нулями:

Таблица - Заполнение нулями лишних битов

байт 1

…

байт N

FA+7

FA+6

FA+5

FA+4

FA+3

FA+2

FA+1

FA

…

0

…

0

FA+Q-1

FA+Q-2

…

Запись одного значения

5 (0x05) -- запись значения одного флага (Force Single Coil)

6 (0x06) -- запись значения в один регистр хранения (Preset Single Register)

Команда состоит из адреса элемента (2 байта) и устанавливаемого значения (2 байта).

Для регистра хранения значение является просто 16-битным словом.

Для флагов значение 0xFF00 означает включённое состояние, 0x0000 -- выключенное, другие значения недопустимы.

Если команда выполнена успешно, ведомое устройство возвращает копию запроса.

Запись нескольких значений

15 (0x0F) -- запись значений в несколько регистров флагов (Force Multiple Coils)

16 (0x10) -- запись значений в несколько регистров хранения (Preset Multiple Registers)

Команда состоит из адреса элемента, количества изменяемых элементов, количества передаваемых байт устанавливаемых значений и самих устанавливаемых значений. Данные упаковываются так же, как в командах чтения данных.

Ответ состоит из начального адреса и количества изменённых элементов.

Контроль ошибок в протоколе Modbus RTU

Во время обмена данными могут возникать ошибки двух типов:

- ошибки, связанные с искажениями при передаче данных;

- логические ошибки.

Ошибки первого типа обнаруживаются при помощи фреймов символов, контроля чётности и циклической контрольной суммы CRC-16-IBM (используется число-полином = 0xA001).

RTU фрейм

В RTU режиме сообщение должно начинаться и заканчиваться интервалом тишины - временем передачи не менее 3.5 символов при данной скорости в сети. Затем первым полем передаётся адрес устройства.

Вслед за последним передаваемым символом также следует интервал тишины продолжительностью не менее 3.5 символов. Новое сообщение может начинаться после этого интервала.

Фрейм сообщения передаётся непрерывно. Если интервал тишины продолжительностью 1.5 возник во время передачи фрейма, принимающее устройство должно игнорировать этот фрейм как неполный.

Таким образом, новое сообщение должно начинаться не раньше 3.5 интервала, так как в этом случае устанавливается ошибка.

Немного об интервалах (речь идёт о Serial Modbus RTU): при скорости 9600 и 11 битах в кадре (стартовый бит + 8 бит данных + бит контроля чётности + стоп-бит): 3.5 * 11 / 9600 = 0,00401041(6), то есть более 4 мс; 1.5 * 11 / 9600 = 0,00171875, то есть более 1 мс. Для скоростей более 19200 бод допускается использовать интервалы 1,75 и 0,75 мс соответственно.

Логические ошибки

Для сообщений об ошибках второго типа протокол Modbus RTU предусматривает, что устройства могут отсылать ответы, свидетельствующие об ошибочной ситуации. Признаком того, что ответ содержит сообщение об ошибке, является установленный старший бит кода команды.

1. Если Slave принимает корректный запрос и может его нормально обработать, то возвращает нормальный ответ.

2. Если Slave не принимает какого-либо значения, никакого ответа не отправляется. Master диагностирует ошибку по тайм-ауту.

3. Если Slave принимает запрос, но обнаруживает ошибку (parity, LRC, or CRC), никакого ответа не отправляется. Master диагностирует ошибку по тайм-ауту.

4. Если Slave принимает запрос, но не может его обработать (обращение к несуществующему регистру и т. д.), отправляется ответ содержащий в себе данные об ошибке.

Стандартные коды ошибок

01 Принятый код функции не может быть обработан на подчиненном.

02 Адрес данных, указанный в запросе, не доступен данному подчиненному.

03 Величина, содержащаяся в поле данных запроса, является не допустимой величиной для подчиненного.

04 Невосстанавливаемая ошибка имела место, пока подчиненный пытался выполнить затребованное действие.

05 Подчиненный принял запрос и обрабатывает его, но это требует много времени. Этот ответ предохраняет главного от генерации ошибки тайм-аута.

06 Подчиненный занят обработкой команды. Главный должен повторить сообщение позже, когда подчиненный освободится.

07 Подчиненный не может выполнить программную функцию, принятую в запросе. Этот код возвращается для неудачного программного запроса, использующего функции с номерами 13 или 14. Главный должен запросить диагностическую информацию или информацию об ошибках с подчиненного.

08 Подчиненный пытается читать расширенную память, но обнаружил ошибку паритета. Главный может повторить запрос, но обычно в таких случаях требуется ремонт.

Расчет затрат на разработку универсальной станции рабочего места для проверки приборов САУ

Данный раздел проекта является обобщающим, в котором выполнено организационно-экономическое обоснование проектных решений. Результатом работы является определение себестоимости разработки и сравнительный анализ себестоимости данной разработки и ранее созданного прибора, решающего аналогичные задачи.

Описание разработки

Разработанная в ходе дипломирования универсальная станция рабочего места будет входить в состав программируемой аппаратуры автономной проверки различных САУ.

Она должна обеспечивать имитацию различных сигналов поступающих в прибор от внешних систем, датчиков, проверку выдачи испытуемым прибором всех команд во внешние системы и приема всех сигналов из внешних систем и реакцию прибора на принимаемые сигналы в соответствии с ТЗ на разработку.

В результате работы собран один опытный образец. После его тестирования и использования в течение некоторого времени будет приниматься решение о возможности сборки ещё 2-3 подобных изделий. Все изделия будут применяться для внутренних нужд предприятия.

Основания для сравнительного анализа.

Универсальная станция собрана из стандартных покупных комплектующих изделий и предназначена для проверки различных САУ, а имитатор смежных систем, себестоимость которого сравнивается с себестоимостью разработки, создан из модулей, разработанных на предприятии и предназначен для проверки САУ АДГ 630 и САУ АДГ - 1000НК.

Оба прибора решают задачу проверки приборов САУ, но при этом УСРМ легче конфигурируется и способна работать с большим количеством различных сигналов.

Затраты на разработку приборов

Определение расходов на проектирование, закупку и поставку необходимых комплектующих произведено согласно структуре затрат и формулам расчетов.

Таким образом, затраты на проектирование включают в себя следующие статьи расходов:

1. Покупные комплектующие изделия (З_ки)

2. Основная заработная плата разработчиков (З_о.окл);

3. Дополнительная заработная плата разработчиков (З_д.окл);

4. Отчисления на социальные нужды (О_соц);

5. Затраты на расходные материалы (З_проч).

Расчет затрат на покупные комплектующие изделия

Комплектующие изделия были приобретены по каталогу компании ПРОСОФТ, специализирующейся на поставке комплектующих для промышленных компьютеров и серверов, различных радиоизделий разных фирм. В таблице 4.1 приведен расчет затрат на комплектующие изделия.

Таблица 3.1 - Расчет затрат на комплектующие изделия

Наименование комплектующих изделия	Норма расхода на выпускаемое изделие, шт.	Цена, руб./шт.	Расход на изделие, руб.	Транспортно-заготовительные расходы, %	Транспортно-заготовительные расходы, руб. (п.4*п.5У100	Сумма затрат на изделие, руб. (п.4+п.6)
1	2	3	4	5	6	7
IPC-630BP корпус	1	11 056,46	11 056,46	2	221,13	11 277,59
PCA-6114 пассивная кросс-панель	1	6251,152	6251,152	2	125,02	6 376,18
PCA-6010 кросс-панель	1	12085,35	12085,35	2	241,71	12 327,06
Е7500 процессор	1	4840,03	4840,03	2	96,80	4 936,83
DIMM DDR2 модуль памяти	2	1151,53	2303,06	2	46,06	2 349,12
HDD-100 жесткий диск	1	1704,64	1704,64	2	34,09	1 738,73
FDD-3,5 привод магнитный	1	598	598	2	11,96	609,96
76760 монитор	1	8012,15	8012,15	2	160,24	8 172,39
KEYBOARD USB клавиатура	1	832	832	2	16,64	848,64
123253 мышь	1	836	836	2	16,72	852,72
PCI-1612 интерфейсная плата	1	15399,56	15399,56	2	307,99	15 707,55
PCI-1715 плата аналогового ввода	1	17838,02	17838,02	2	356,76	18 194,78

Таблица

Наименование комплетующих изделия	Норма расхода на выпускаемое изделие, шт.	Цена, руб./шт.	Расход на изделие, руб.	Транспортно-заготовительные расходы, %	Транспортно-заготовительные расходы, руб. (п.4*п.5У100	Сумма затрат на изделие, руб. (п.4+п.6)
1	2	3	4	5	6	7
PCI-1724 плата аналогового вывода	1	23645,56	23645,56	2	472,91	24 118,47
PCI-1762 плата дискретного ввода/вывода	2	7577,64	15155,28	2	303,11	15 458,39
PCL-10137 кабель соединительный	1	726,02	726,02	2	14,52	740,54
PCL-10162 кабель соединительный	1	1379,19	1379,19	2	27,58	1 406,77
Итого	125 115,72 руб.

Затраты на комплектующие произведенные на предприятии для прибора ИСС составляют 413 300 рублей.

Расчет основной заработной платы

Для определения затрат на заработную плату необходимо знать оклад работников и количество часов, необходимых для реализации проекта. Для последующего сравнительного анализа так же произведен расчет основной заработной платы сотрудников при разработке ИСС. Данные для расчета приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Данные для расчета основной заработной платы сотрудников

№	Этап	Прибор
		УСРМ	ИСС
		кол. человек,	Должность	кол. час.	кол. человек	должность	кол. часов.
1	Разработка	2	Конструктор	80	2	конструктор	80
		1	Программист	160	2	программист	80
2	Подготовка документации	1	Конструктор	80	1	конструктор	80
3	Согласование	2 1	Конструктор программист	40 40	4	Конструкторы программисты	40
4	Сборка	1	Конструктор	8	2	монтажник	120
5	Настройка	1	Программист	8	1	настройщик	16
					2	программист	80

Основная заработная плата З_о.окл рассчитывается исходя из фактически затраченного на разработку и внедрение времени и установленного месячного оклада по формуле:

 (1)

З_о.окл - основная заработная плата лиц, получающих оклад, в расчете на данную работу (изготовление изделия, проектирование, подготовка программного продукта, дипломного проекта и т.д.), руб.;

О_м i - месячный оклад i - го работника с учетом уральской надбавки 15%, руб.;

Ф_пл - плановый годовой фонд рабочего времени предприятия (организации) при односменном режиме работы, ч.;

i = 1, … ,r - порядковый номер работника, участвующего в данной работе;

Т_i - количество труда, затраченного i - м работником, ч.

Оклады сотрудников

УСРМ: 1-й конструктор 7800 О_м1=8970

2-й конструктор 6900 О_м2=7935

программист 7800 О_м3=8970

ИСС:

1-й конструктор 8800 О_м4=10120

2-й конструктор 6900 О_м5=7935

1-й программист 7800 О_м6=8970

2-й программист 6900 О_м7=7935

1-й монтажник 6300 О_м8=7245

2 монтажник 7100 О_м9=8165

настройщик 8200 О_м10=9430

Плановый годовой фонд рабочего времени Ф_пл рассчитывается по формуле:

 (2)

К_ф - количество календарных дней в 2009 году;

Д_вых - количество выходных дней в году;

Д_пр - количество нерабочих праздничных дней в РФ;

T - продолжительность рабочего дня, ч;

Т_сокр - количество часов в данный календарный год, когда рабочий день перед праздником сокращается на один час.

Плановый годовой фонд рабочего времени равен:

Ф_пл = (365-104-12)•8-5 = 1987 часов.

Величина трудового времени T, затраченного сотрудниками на разработку (количество труда), данные взяты из таблицы 3.2:

УСРМ: 1-й конструктор Т₁=80+80+8=128

2-й конструктор Т₂=80+80+40=200

Программист Т₃=160+40+8=208

ИСС:

1-й конструктор Т₄=80+80+40=200

2-й конструктор Т₅=80+40=120

1-й программист Т₆=80+80+40=200

2-й программист Т₇=80+80+40=200

1-й монтажник Т₈=120

2 монтажник Т₉=120

Настройщик Т₁₀=16

Таким образом, величина затрат на основную заработную плату (см. формулу (1)) равна:



Дополнительная заработная плата

Дополнительная заработная плата - статья прямых расходов. К дополнительной заработной плате относятся выплаты компенсационного и стимулирующего характера. Она начисляется работникам в установленных законодательством случаях: за неотработанное (неявочное) время (оплата отпусков, льготных часов подростков и кормящих матерей, выходное пособие уходящим на службу в армию и пр.), за дополнительную нагрузку и усложнённые условия труда (доплаты за неосвобождённое бригадирство; работу в ночное время, выходные и праздничные дни, за сверхурочное время; лицам, занятым на тяжёлых работах, работах с вредными и иными условиями труда; за разъездной и подвижной характер работы; за труд при выполнении работ различной квалификации; за совмещение профессий (должностей), расширение зон обслуживания, увеличение объема работ, исполнение обязанностей временно отсутствующего работника; к должностному окладу лицам, допущенным к государственной тайне; за выслугу лет; за обучение учеников и др.) и прочие доплаты (оплата предприятием работнику льготных коммунальных услуг, компенсации за неиспользованный отпуск и т.д.). Дополнительная заработная плата определяется в процентах к основной заработной плате.

Величина процента конкретна для каждого предприятия (организации), она зависит от половозрастной структуры коллектива, условий труда, сменности работы и многих других факторов. Обычно дополнительная заработная плата составляет в среднем 10-20% к основной заработной плате работника. Для расчетов дополнительной заработной платы примем величину 15%.

Таким образом, затраты на дополнительную заработную плату:

4167,92 руб.

6133,12 руб.

Отчисления на социальные нужды

Величина отчислений на социальные нужды определяется в процентах от основной и дополнительной заработной платы, взятой вместе с уральской надбавкой (15%).

Суммарная заработная плата, от которой будет определяться величина отчислений на социальные нужды, определяется по формуле (4):

З_сум=З_о.окл.+З_д.окл (4)

Суммарная заработная плата с учетом уральской набавки равна:

З_{сумУСРМ} = 27786,13+4167,92 = 31954,05 руб.

З_сумИСС = 40887,45+6133,12 = 47020,57 руб.

Отчисления на социальные нужды относятся к платежам, не регулируемым Налоговым Кодексом Российской Федерации. Все страховые взносы рассчитываются к сумме основной и вспомогательной заработной платы всех работников предприятия, взятой с уральской надбавкой 15%. Порядок расчёта, уплаты страховых взносов и тарифы регулируются федеральными законами и постановлениями Правительства РФ.

Основными составляющими отчислений на социальные нужды являются:

1. Страховые взносы на обязательное социальное страхование;

2. Страховые взносы на осуществление обязательного страхования от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний.

Страховые взносы на обязательное социальное страхование регулируется Федеральным законом от 24.07.2009 г. № 212-ФЗ (ст. 5, ст. 7, ст. 12, ст. 57, ст. 58 Закона № 212-ФЗ). Страховые взносы на осуществление обязательного страхования от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний регулируются:

- Федеральным законом от 24.07.1998 г. № 125-ФЗ (в ред. от 23.07.2008 г.);

- Постановлением Правительства РФ от 02.03.2000 г. № 184 (в ред. от 11.04.2005 г.);

- Постановлением Правительства РФ от 31 08.1999 г. № 975 (в ред. от 08.08.2003 г.).

Тариф на страховые взносы обязательного страхования составляет 0,2%. В таблице 2 приведены результаты расчетов составляющих отчислений на социальные нужды.

Таблица 3.3 - Составляющие отчислений на социальные нужды

Наименование отчисления	Процент отчисления, %	Размер отчислений, руб.
		УСРМ	ИСС
Пенсионный фонд России (ПФР)	20	6390,81	9404,11
Фонд социального страхования РФ (ФСС РФ)	2,9	926,67	1363,6
Федеральный фонд обязательного медицинского страхования (ФФОМС)	1,1	351,5	517,23

Величина отчислений на социальные нужды равна:

О_{соц УСРМ} = 8308,06 руб.

О_соцИСС = 12225,35

Прочие затраты

Для работы необходимы канцелярские принадлежности и комплектующие для компьютера. Прочие затраты рассчитаны по следующей формуле:

З_проч = З_п + З_б + З_к, где (5)

З_п - затраты на картридж, для принтера (заправка 1800 руб.);

З_б - затраты на бумагу (2 пачки А4 стоят 360 руб.);

З_к - затраты на канцелярские принадлежности (200 руб.).

Общая сумма прочих затрат равна:

З_проч = 1800 + 360 + 200 = 2360 рублей.

Себестоимость приборов. Сравнительный анализ себестоимости.

Затраты на проектирование рассчитывается по формуле:

C_п = З_о.окл + З_д.окл + О_соц + З_проч (6)

Размеры расходов по соответственным статьям себестоимости приведены в итоговой таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Размеры статей расходов на проектирование

№	Статья расходов	Величина, руб.
		УСРМ	ИСС
1.	Затраты на комплектующие	125 115,72	413 300,00
2.	Основная заработная плата, Зо.окл	27 786,13	40 887,45
3.	Дополнительная заработная плата, Зд.окл	4 167,92	6 133,12
4.	Отчисления на социальные нужды, Осоц	8 308,06	12 225,35
5.	Прочие затраты, Зпроч	2 360	2 360
	Итого	167683,83	474605,92

Из таблицы 3.4 видно, что основная статья расходов при разработке приборов это стоимость комплектующих. На рисунке 3.1 наглядно показано, что себестоимость ИСС превышает стоимость УСРМ почти в 3 раза.

Рисунок 3.1 - Диаграмма себестоимости и стоимости комплектующих анализируемых приборов.

На рисунке 3.2 показана диаграмма соотношения других затрат на проектирование.



Рисунок 3.2 - Диаграмма соотношения других затрат на проектирование

Из диаграммы на рисунке 3.2 видно, что социальные затраты больше для первого прибора. При этом над разработкой обоих изделий работали конструкторы с почти одинаковыми окладами. Это связано с тем, что на проектирование УСРМ ушло меньше рабочего времени и с тем, что для создания ИСС привлекались рабочие другого отдела: монтажники и настройщик.

В данном разделе были рассмотрены вопросы, посвященные экономической целесообразности разработки универсальной станции рабочего места для проверки приборов САУ.

По полученному результату можно сделать вывод, что большую часть затрат на проектирование составили расходы на комплектующие изделия.

Был проведен сравнительный анализ себестоимости двух приборов со схожими задачами. Разрабатываемый в ходе дипломирования прибор изготовлен из покупных комплектующих изделий и имеет более широкий профиль. Прибор ИСС был полностью изготовлен из модулей предприятия.

Сравнительный анализ показал, что на изготовление прибора из комплектующих изделий, выпускаемых на предприятии, было затрачено 2,8 раз больше материальных средств, на его изготовление так же было затрачено больше рабочего времени. Это говорит о том, что при серийном производстве изделий их стоимость уменьшается. Использование специальных модулей целесообразно то...