Автоматизированная система управления очистки городских сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В рамках дипломного проекта разработана автоматизированная система управления одним из этапов очистки городских сточных вод. Основа проекта - разработка микропроцессорной системы управления технологическим процессом (АСУТП) аэрации сточных вод в рамках единой системы очистных сооружений, выбор исполнительных механизмов, контроллеров удаленного сбора данных, измерительных преобразователей и программного обеспечения, предназначенного для выполнения задач сбора данных и управления в рамках распределенной системы АСУТП.

В ходе проектирования были выполнены следующие, необходимые для построения АСУТП, задачи:

проанализирована задача автоматизации процесса очистки городских сточных вод;

обоснована и разработана структура сети автоматизации участков по технологической схеме процесса очистки сточных вод;

проведен анализ программного обеспечения (SCADA - системы) предназначенного для организации систем АСУТП;

выбраны первичные измерительные преобразователи (давления, температуры, уровня, расхода и т.д.) и исполнительные механизмы (заслонки, насосы и т.д.);

выбраны микропроцессорные контроллеры;

разработаны устройства управления.

Помимо этого в проекте кратко рассмотрены различные типы промышленных сетей, которые наиболее часто применяются для построения систем АСУТП. Приведены основные виды топологии сетей и рассмотрена общая физическая модель связи, модель взаимодействия открытых систем в рамках промышленных коммуникаций.

В экономической главе выполнен расчет цены НИОКР, трудоемкость программирования устройств

Студентом Шугайловым Владимиром Валерьевичем были выполнены следующие главы: 1, 2, 3, 4, 5.1, 5.3, 5.4.6, 6.2, 7.2, 9, 10.1, 11.2, 11.3.

Студентом Ваниным Александром Александровичем были выполнены следующие главы: 1, 2, 3, 4, 5.2, 5.4.5, 6.1, 7.1, 8, 10.2, 11.1, 11.4.

1 Анализ автоматизированных систем управления процессом очистки сточных вод

1.1 Очистные сооружения ОАО «АВИСМА»

Система хозяйствования в нашей стране не способствовала развитию работ в области очистки промышленных стоков, поэтому водоемы страны постепенно насыщались всеми видами загрязнений. Более того, мелкомасштабные объекты вообще не имели очистных сооружений. В результате отходы отравляют не только поверхностные, но и подземные воды, и поэтому проблема обеспечения населения водой, пригодной для потребления, встала во всех регионах страны. Березниковский титаномагниевый комбинат (ОАО «АВИСМА») является основным производителем титановой губки в России. Процесс магниево-термического восстановления титана требует значительного количества воды, которая забирается из естественных водоемов. Отработанная вода содержит большое количество химических веществ (взвешенных частиц, ионов хрома, марганца, железа) и имеет повышенную кислотность. Такая вода не пригодна для использования человеком и требует очистки. До внедрения АСУ ТП «Экология» комплекс очистных сооружений ОАО «АВИСМА» автоматизирован не был, то есть управление всеми агрегатами комплекса осуществлялось вручную. При этом дозировка реагентов была несбалансированной, что приводило к необоснованным материальным затратам вследствие неизбежных передозировок. Обслуживанием комплекса занимался целый штат сотрудников высокой квалификации. Руководство предприятия приняло решение о модернизации устаревшего комплекса сооружений очистки сточных вод с учетом соответствия международным требованиям, предъявляемым к современному технологическому оборудованию, и стандартам ISO.

1.2 Объект автоматизации

Объектом автоматизации является комплекс очистных сооружений, включающий:

систему открытых лотков для подачи промышленных стоков на площадку очистных сооружений, объем поступающих промстоков колеблется в пределах 150-1200 м3/час;

систему лотков с запорными ручными органами, обеспечивающих распределение промышленных стоков по усредняющим емкостям;

узел нейтрализации, в состав которого входят система ввода и предварительной обработки усредненных промстоков;

система распределения реагентов по точкам подачи;

нейтрализатор - емкость, в которой обеспечивается перемешивание сжатым воздухом усредненных промстоков с подаваемыми реагентами и происходит реакция нейтрализации;

система пробоотбора;

разгрузочный колодец;

насосную станцию для откачки нейтрализованных промстоков в пруд отстойник;

систему приготовления и дозирования реагентов, технологическое оборудование этой системы размещается в общем строительном объеме насосной станции для откачки нейтрализованных стоков;

пруды отстойники, в которых происходит осветление нейтрализованных промстоков;

насосную станцию сброса очищенных и нейтрализованных стоков из прудов отстойников;

насосные дренажные станции, обеспечивающие откачку дренажных вод с площадки размещения очистных сооружений;

насосную станцию при пруде отстойнике;

систему трубопроводного транспорта перекачки промстоков;

системы водо и теплоснабжения.

В объект автоматизации имеет следующие особенности, оказывающие влияние на выбор технических средств:

распределенность объекта на значительной территории;

неоднородность объекта, то есть объект состоит из большого числа агрегатов, требующих различных алгоритмов управления;

объект можно отнести к типичным объектам автоматизации, так как он содержит аналоговые и дискретные сигналы;

все оборудование комплекса очистных сооружений управляется дискретными сигналами.

В ходе реализации задачи автоматизации комплекса очистных сооружений совместными усилиями ряда предприятий была создана система автоматизированного управления комплексом очистных сооружений, получившая название АСУ ТП «Экология». В дипломном проекте произведен анализ этой системы.

1.3 Назначение и функции системы

АСУ ТП «Экология» предназначается для реализации функций оперативного контроля, учета, анализа и управления объектами очистных сооружений титаномагниевого комбината. Она обеспечивает автоматизированный и автоматический режимы работы оборудования, участвующего в технологической схеме очистки промышленных стоков предприятия, улучшает информационное обеспечение руководящего и оперативного персонала.

Автоматизированная система выполняет следующие функции:

автоматическое поддержание постоянного расхода промышленных стоков на выходе усреднителей;

автоматическое регулирование величины рН промышленных стоков изменением количества извести, подаваемой для нейтрализации стоков;

автоматическое поддержание постоянного расхода кислых промышленных стоков, поступающих на разбавление «известкового молока»;

автоматическое управление системой дозирования раствора сульфида натрия;

программное управление аппаратами подготовки реагентов (Na 2 S, ПАА);

дистанционное программное управление насосами подачи реагентов на разбавление;

дистанционное программное управление насосами раздачи реагентов;

дистанционное программное управление насосами откачки стоков;

автоматическое программное управление клапанами.

Кроме этого, АСУ ТП обеспечивает выполнение следующих комплексов задач.

Формирование текущих и сменных значений показателей производства:

сбор и первичная обработка текущих значений контролируемых показателей;

ввод информации от датчиков;

обработка сигналов;

сведение всей поступившей и обработанной информации в единый интегрированный массив.

Оперативно диспетчерский контроль производства:

контроль расхода сырьевых ресурсов за прошедшую смену;

контроль расхода сырьевых ресурсов за прошедшие сутки;

контроль состояния запасов материальных ресурсов на начало текущей смены;

контроль использования основного технологического оборудования за прошедшие сутки.

Ведение базы данных:

ведение интегрированного массива показателей производства;

ведение справочников пределов изменений значений контролируемых параметров и отклонений сменных показателей производства;

ведение справочника расчета аналитических показателей производства.

Формирование отчетных документов:

формирование сменного, суточного и месячного рапортов и выдачу их на принтер.

1.4 Архитектура системы и реализация ее компонентов

АСУ ТП «Экология» выполнена в виде трехуровневой распределенной модульной системы с жестким распределением выполняемых функций по уровням:

уровень отображения информации, контроля и архивирования;

уровень управления;

уровень устройств связи с объектом (УСО). Структурная схема системы приведена на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1 - Структурная схема АСУ ТП

Уровень отображения информации, контроля и архивирования

включает в себя пульт оператора и автоматизированное рабочее место «Лаборатория». Пульт оператора (ПО) обеспечивает выполнение следующих функций:

отображение и контроль текущего состояния технологического процесса;

задание параметров управления технологическим процессом и передача их на уровень управления;

предупредительная и аварийная сигнализация;

прием и отображение результатов экспресс анализа от АРМ «Лаборатория»;

регистрация и формирование отчетных документов;

архивирование и просмотр архивных трендов.

Автоматизированное рабочее место (АРМ) «Лаборатория» обеспечивает ввод и передачу на пульт оператора результатов экспресс анализа промышленных стоков.

Уровень управления выполняет функции сбора и обработки данных с уровня УСО и управления технологическим процессом. Реализация функций управления осуществляется автономно, то есть без участия уровня отображения информации.

Уровень устройств связи с объектом (уровень УСО) предназначается для сопряжения уровня управления с датчиками и исполнительными устройствами объектов. Каждый из уровней соединен с другим уровнем информационными связями согласно иерархической структуре. Это означает, что верхний уровень может получить информацию от нижнего уровня только через средний и на оборот. Таким образом достигается функциональная законченность уровней автоматизации, возможность их автономного функционирования снизу вверх. Пульт оператора и АРМ «Лаборатория» предусматривают возможность связи с другими АСУ и более высокими уровнями иерархии общезаводской АСУП при дальнейшем развитии.

Пульт оператора, АРМ «Лаборатория» и локальный контроллер связаны посредством одноранговой локальной вычислительной сети Ethernet. Связь «уровень управления - уровень УСО» осуществляется посредством интерфейса RS 485. В качестве сетевой операционной системы выбрана Personal NetWare, так как в этом случае проще осуществить переход на более крупную сеть с выделенным сервером на основе сетевой операционной системы Novell NetWare v3.12 или выше.

В составе автоматизированного рабочего места «Лаборатория» используется программное обеспечение, разработанное в системе программирования Borland Pascal (Turbo Pascal)v7.0 с применением объектно-ориентированной библиотеки создания пользовательских интерфейсов Turbo Vision v2.0.

Программные средства, обеспечивающие реализацию пульта оператора, должны отвечать более жестким требованиям, так как пульт оператора участвует в управлении технологическим процессом, реализуя верхний уровень в иерархии управления. Пакет Trace Modev 4.2x отвечает этим требованиям и может использоваться в качестве универсального программного обеспечения для реализации верхних уровней современных информационно управляющих систем.

АРМ «Лаборатория» и пульт оператора функционируют на базе IBM PC совместимых компьютеров под управлением операционной системы MS DOSv6.22 и сетевой операционной системы Personal NetWare.

Для реализации уровня управления необходимо использовать надежный промышленный контроллер, способный работать в сложных условиях окружающей среды. Все функции автоматического управления сосредоточены на этом уровне, поэтому надежность данного уровня представляется достаточно важной.

Так как архитектура PC является стандартом в промышленности, для более эффективной реализации многоуровневой системы, представляющей собой взаимосвязь различных компонентов, необходимо применять, по возможности, IBM PC совместимое оборудование как наиболее распространенное в настоящее время. Использование IBM PC совместимой платформы предоставляет возможности по применению огромного разнообразия существующего в настоящее время аппаратного обеспечения, а также широкого спектра готового программного обеспечения и средств его разработки. Перечисленным требованиям отвечает серия промышленных контроллеров MicroPC фирмы Octagon Systems. Структурная схема локального контроллера показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Структурная схема локального контроллера

Внешний вид локального контроллера представлен на рисунке 1.3.



Рисунок 1.3 - Внешний вид локального контроллера

Контроллер MicroPC имеет встроенную операционную систему DOS 6.22, а в качестве системы реального времени управления технологическим процессом используется монитор реального времени - Микро МРВ, входящий в состав пакета Trace Mode.

В качестве модулей устройств связи с объектом в системе используются модули серии ADAM 4000 фирмы Advantech.

Данные модули предоставляют средства для аналогового и дискретного ввода вывода с гальванической развязкой. Использование интерфейса RS 485 позволяет минимизировать количество физических линий связи при построении системы.

Для поддержки уровня УСО со стороны уровня управления применяется драйвер, обеспечивающий взаимодействие Микро МРВ с модулями ADAM. Исходя из набора входных и выходных сигналов объекта автоматизации, используются три типа модулей УСО:

ADAM 4052 - 8 канальный дискретный ввод (7 шт.);

ADAM 4017 - 8 канальный аналоговый ввод (7 шт.);

ADAM 4050 - 7 канальный дискретный ввод и 8 канальный дискретный вывод (9 шт.)

1.5 Функционирование системы

В процессе функционирования системы участвует оператор. Для удобства восприятия информация о технологическом процессе представлена графически. Поскольку этой информации много, используется деление ее на логически законченные части (кадры), которые соответствуют определенным участкам технологического процесса. При этом целостность восприятия не теряется.

Условно все кадры можно разделить на две группы: основные и служебные. Основные кадры соответствуют участкам технологического процесса и содержат условное представление оборудования, относящегося к данному участку, а также значения необходимых параметров. Такие кадры содержат средства визуализации процесса функционирования оборудования системы, посредством которых любое изменение состояния оборудования отображается на экране. Например, работа насоса отображается вращением лопастей насоса (мультипликация на основе последовательности графических примитивов), движение воды в трубопроводе индицируется бегущей дорожкой, состояние клапанов (открыто/закрыто) отображается изменением их цвета и т.д.

Оператор большую часть времени в процессе функционирования системы взаимодействует именно с этими кадрами.

Служебные кадры предназначаются для размещения дополнительной информации о состоянии технологического оборудования, а также для просмотра отчетных документов. К служебным также отнесен кадр задания параметров (коэффициентов) регулирования, так как эти параметры не требуют частого изменения. Имеется кадр, где сведены аварийные сообщения по работе насосов в составе аппаратов приготовления реагентов.

Один из служебных кадров («Выбор варианта дозирования») предназначен для выбора оптимального варианта дозирования реагентов на основании концентрации загрязняющих веществ в стоках. Эта информация поступает из лаборатории экспресс анализа как результат работы АРМ «Лаборатория».

На кадре в виде рекомендации оператору представляется оптимальный вариант дозирования реагентов.

К кадрам, предназначенным для просмотра отчетных документов, относятся кадры просмотра отчета тревог, кадры просмотра рапортов, а также кадры просмотра архивных трендов.

Сменный рапорт формируется оператором в начале смены за предыдущую смену. Формирование заключается в записи рапорта на диск в файл и распечатке его на принтере. Суточный рапорт формируется оператором в начале первой смены за прошедшие сутки. При этом создаются файл с суточным рапортом и строка в месячном рапорте, соответствующая прошедшим суткам.

К кадрам просмотра отчета тревог относятся три кадра: кадр просмотра отчета тревог за текущую смену, кадр просмотра отчета тревог за прошедшую смену и кадр просмотра отчета тревог, сформированного две смены назад.

Формирование отчета тревог может осуществляться двумя способами: вручную автоматически. Автоматическое формирование отчета тревог происходит в начале новой смены за прошедшую смену; при ручном формировании оператор инициирует систему нажатием соответствующей экранной кнопки.

Кадры просмотра архивных трендов графически отображают изменение основных технологических параметров, таких как расход стоков, расход Ca(OH)2 ,кислотность стоков в точках отбора проб, расход Na2S, концентрация в стоках ионов хрома в точках отбора проб, расход ПАА и концентрация взвешенных частиц в стоках. Используется уровневый архив, содержащий два уровня. На нулевом уровне записи формируются с периодом 5 минут (глубина архива 50 суток), а на первом уровне - с периодом 10 минут (глубина архива 150 суток). Таким образом, ведется архив с периодом 10 минут, в котором хранится предыстория прохождения технологического процесса за 5 месяцев, причем последние полтора месяца информация записана с периодом 5 минут.

Общая схема технологического процесса представлена на кадре «Схема размещения точек отбора проб». Для получения детальной информации о том или ином участке технологического процесса оператор осуществляет переход на кадр, соответствующий интересующему его участку технологической схемы. Для этого на каждом кадре в верхней части расположены экранные кнопки, при нажатии которых происходит переход на соответствующий кадр.

Кнопка текущего экрана подсвечивается черным цветом. В случае появления аварийной ситуации на одном из экранов соответствующая ему кнопка на других экранах подсвечивается красным цветом. При этом оператор для определения проявления аварии должен либо перейти на кадр просмотра отчета тревог, либо перейти на кадр, кнопка перехода на который подсвечивается красным цветом.

Предупредительная и аварийная ситуация отображается подсвечиванием места ее локализации цветом, отличным от обычного (красным). Для привлечения внимания оперативного персонала аварийные ситуации озвучиваются средствами звуковой платы типа Sound Blaster. При этом сообщается о месте аварии и ее проявлении. Например, при отсутствии сигнала исполнения насоса в составе насосной станции №3 озвучивается следующее сообщение: «Насосная станция 3 - нет исполнения», а изображение насоса, на котором обнаружена авария, подсвечивается красным цветом. После устранения аварии подсветка убирается и озвучивание сообщения прекращается.

Формирование звуковых сообщений осуществляется драйвером пульта оператора. Все сообщения разделены на локальные и глобальные. К локальным сообщениям относятся те, которые касаются конкретного объекта или совокупности объектов. Глобальные сообщения относятся ко всей системе в целом и вызываются, например, такими ситуациями, как обрыв связи с уровнем управления («Нет связи с локальным контроллером») или отсутствие ответа от уровня УСО («Неисправность УСО»).

Причем глобальные сообщения имеют больший приоритет по сравнению с локальными. Это позволяет акцентировать внимание оператора именно на глобальных сообщениях. На основных кадрах имеются средства для временного отключения звуковых сообщений, относящихся к авариям на этом кадре. По истечении 10 минут, если авария не устранена, сообщение снова начинает формироваться. Временное отключение звуковых сообщений предназначено для того, чтобы оператор был своевременно информирован о появлении новых аварийных ситуаций.

Все аварийные и предупредительные сообщения заносятся в отчет тревог (журнал событий). Причем в отчете формируются строки, включающие данные о времени возникновения, месте и проявлении аварии.

После устранения аварийной ситуации в отчете тревог формируется запись о ее устранении. В системе формируются рапорты трех уровней (сменный, суточный и месячный), содержащие интегральные показатели протекания процесса очистки сточной воды (содержание в стоках загрязнений, объем сброшенной воды, расход реагентов и пр.).

Все управление технологическим процессом сосредоточено на уровне управления, что предъявляет жесткие требования к надежному функционированию аппаратного и программного обеспечения этого уровня.

Локальный контроллер формирует управляющие сигналы на основании информации о текущем состоянии технологического процесса (информация поступает с уровня УСО) и исходных данных в виде совокупности коэффициентов регулирования и уставок (информация поступает с пульта оператора).

В системе выделено два типа управления:

дискретное (выходной сигнал - вкл/выкл), программное и дистанционное управление, которое используется для управления насосами, задвижками и клапанами, программное управление осуществляется автономно контроллером, в то время как дистанционное управление выполняется оперативным персоналом с пульта оператора;

аналоговое регулирование.

Управление насосами в составе насосных станций №1 и №3 может исполняться автоматически (программно) и вручную (дистанционно) оператором. При этом автоматическое управление осуществляется на базе информации от датчиков (с уровня УСО), а также на основании текущего режима работы насоса. Насос может находиться в одном из трех режимов работы: рабочий, резервный и третий. Назначение режима работы насоса осуществляет оператор. Автоматическое управление насосом осуществляется только в том случае, если насос находится в рабочем или резервном режиме работы. При необходимости оператор может управлять этими насосами вручную. Третий режим работы подразумевает только ручное управление. Автоматическое включение (выключение) рабочего и резервного насосов происходит при определенном уровне в соответствующей емкости, о чем сообщают сигнализаторы уровня.

В составе системы есть средства контроля наличия связей между компонентами. Локальный контроллер периодически посылает значение изменяющейся величины на пульт оператора. Если через фиксированный промежуток времени изменения не последовало, то пульт оператора принимает решение об обрыве связи «локальный контроллер - пульт оператора». В свою очередь пульт оператора постоянно посылает блок данных на АРМ. Если через фиксированный промежуток времени АРМ его не получает, то АРМ принимает решение об обрыве связи «АРМ - пульт оператора». В случае обрыва связей оперативный персонал своевременно оповещается.

1.6 Надежность системы

Требования к надежному функционированию системы накладывают ограничения при проектировании системы выборе аппаратно программного базиса. Поэтому при выборе технических средств внимание уделялось прежде всего высоконадежному оборудованию, соответствующему международным стандартам ISO.

Согласно методике оценки надежности для восстанавливаемых систем произведен расчет коэффициента готовности системы (вероятность застать работоспособной систему в произвольный момент времени t), значение которого составило: КГ(t)=0,99989.

Внедрение АСУ ТП привело к улучшению следующих технико-экономических показателей работы очистных сооружений:

уменьшению расхода реагентов при условии выполнения регламентных требований по качеству очистки и нейтрализации промышленных стоков;

сокращению энергозатрат на единицу объема очищаемых и нейтрализуемых промышленных стоков;

увеличению срока заполнения отстойных емкостей осаждаемыми илами за счет оптимизации процесса нейтрализации кислых стоков «известковым молоком»;

повышению надежности работы комплекса очистных сооружений за счет централизации контроля и улучшения оперативности управления.

2 Анализ микропроцессорных контроллеров применяемых для построения распределенных микропроцессорных систем сбора данных и управления

2.1 Общие сведения о промышленных контроллерах для построения распределенных систем сбора данных и управления

Идеология построения сложных автоматизированных систем управления технологическими процессами (далее - АСУ ТП) уверенно развивается в сторону применения распределенных принципов построения систем (рисунок 2.1) в противовес централизованным (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Структура распределенной АСУ-ТП

Рисунок 2.2 - Структура централизованной АСУ-ТП

Объясняется это различными причинами, наиболее важными из которых являются:

значительное сокращение общих затрат на кабельную сеть, включающих как стоимость самих подключающих кабелей, так и стоимость монтажных работ;

стремительное удешевление вычислительной техники, позволившее применять автономные вычислители в каждом из узлов АСУ ТП в непосредственной близости от исполнительных устройств и датчиков.

На ранке устройств промышленной автоматизации предлагается большой выбор промышленных контроллеров сбора данных и обработки информации. Ниже рассмотрены наиболее распространенные.

2.2 Программируемый логический контроллер фирмы Advantech ADAM-5510

В начале 1998 года фирма Advantech приступила к выпуску своего очередного продукта - ADAM 5510, продолжая линию интеллектуальных УСО ADAM 5000. К серии базовых блоков ADAM 5000/485 и ADAM 5000/CAN, ориентированных на работу с управляющей шиной верхнего уровня в режиме «вопрос - ответ» по одному из популярных промышленных интерфейсов, добавился еще один - программируемый.

ПЗУ данного контроллера не содержит ни какого специального firmware для работы с собственной периферией и для общения по каналу связи, однако отличается удвоенным по сравнению с другими контроллерами этой серии объемами ПЗУ и ОЗУ, ROM DOS 6.22 и хорошее программное обеспечение в виде набора утилит, библиотек функций для популярных языков программирования с исходными текстами, примерами и документацией.

Одна из отличительных черт ADAM-5510 является открытым для пользователя, IBM PC совместимым контроллером, гибким и легко программируемым.

В истории Advantech уже был пример создания IBM PC совместимого контроллера для модулей ввода вывода серии ADAM-4000. Но ADAM 4500 не вызвал бурного интереса у пользователей и нашел гораздо меньший круг применения, чем все остальные модули серии ADAM-4000.

На рисунке 2.3 показан внешний вид модуля ADAM-5010

Рисунок 2.3- Внешний вид модуля ADAM-5010

Все модули ввода вывода серии 4000 состоят из микроконтроллера с жестким «зашитым» в ПЗУ алгоритмом, коммуникационного интерфейса и собственно УСО. Пропускная способность канала связи на основе RS 485 составляет 1200-115 200бит/с, что соответствует примерно5 480 обменам в секунду по протоколу, принятому для модулей этой серии.

Контроллер ADAM 4500 предназначен для замены машины верхнего уровня в «цепочке» модулей серии 4000 и выполнения одновременно задачи опроса УСО и управления.

Однако такое решение оказалось не очень удачным. Заменить машину верхнего уровня полностью не удалось уже ввиду отсутствия дисковых накопителей для ведения архива, а уменьшить время реакции в цикле управления не получилось, так как все модули ввода вывода и процессор в модуле ADAM 4500 оказались соединенными «узким» интерфейсом RS 485.

Таким образом, все потенциальные возможности процессора 4500 оказались не раскрыты, и он нашел себе применение только в относительно медленных системах сбора информации и управления.

С серией ADAM 5000 все обстоит совершенно иначе. Базовый блок содержит процессор, аналогичный по всем параметрам процессору ADAM-4500 (рисунок 2.4).



Рисунок 2.4 - Структурная схема контроллера ADAM-4500

Однако он общается с модулями ввода вывода по локальной шине с пропускной способностью около 10 Мбайт/с. Это значит, что в реальной программе, написанной на языке низкого уровня, скорость опроса одного дискретного входа может достигать 1 МГц с учетом накладных расходов на обслуживание сторожевого таймера и последовательного интерфейса. Таким образом, узким местом в системе управления, собранной на основе ADAM 5000, становится внешний интерфейс. Даже при использовании интерфейса CAN на скорости 500 кбит/с частота сканирования одного канала не превышает 10 кГц. Появление модуля ADAM 5510 позволило расположить управляющую программу пользователя непосредственно в памяти контроллера, что сократило время реакции в контуре управления виртуально до 5-10 мкс. Этот факт впервые позволил применить системы на базе ADAM 5510 для решения задач «жесткого» реального времени, где ранее применялись «классические» PLC.

Структурная схема контроллера ADAM 5510 приведена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Структурная схема контроллера на базе ADAM-5510

Модуль процессора:

процессор: 80188 40 МГц;

флэш память: 256 кбайт, (170 кбайт доступно для пользователя);

операционная система ROM DOS (совместимая с MS DOS 6.22);

статическое ОЗУ 256 кбайт (234 кбайт доступно для пользователя);

таймер BIOS, часы календарь реального времени, сторожевой таймер;

последовательный порт COM1 RS232 (с полным набором сигналов);

последовательный порт COM2:RS485 (DATA+, DATA, полудуплекс);

специальный порт консоли: RS 232 (Tx, Rx, GND, используется только для загрузки программ и консольного вывода DOS).

Источник питания

входное напряжение нестабилизированное от +10 до +30 В постоянного тока, с защитой от переполюсовки;

потребляемая мощность 2,0 Вт.

Условия эксплуатации

рабочий диапазон температур: от минус 10 до +70 °C.

диапазон температур хранения: от минус 25 до +70 °C;

относительная влажность: от 5 до 95 %без конденсации.

Соединив модемным кабелем свободный СОМ порт компьютера с консольным портом и запустив с прилагаемой дискеты программу Adam5510.exe, на экране монитора можно увидеть следующую картину (рисунок 2.6).



Рисунок 2.6 - Выбор COM порта

Для начала предстоит указать программе, какой СОМ порт следует использовать для связи с ADAM 5510.

Далее необходимо перейти к пункту меню Terminal и подайть напряжение питания на ADAM 5510.Через несколько секунд на экране появится примерно следующее (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 - Вид экрана при работе с ROM-DOS

Настройка выполнена в привычной среде MS DOS, где работают понятные команды. По умолчанию в системе есть два «диска», один из которых, D:>(емкостью 100 кбайт) образован утилитой VDISK.SYS из основной памяти. Для приложений остается лишь 130 кбайт, что вполне достаточно для большинства задач.

Для загрузки программ в электронный диск в области статической памяти достаточно нажать комбинацию клавиш <Alt T> и указать имя файла. При этом программа с минимальными затратами усилий оказывается в контроллере и может быть запущена из командной строки DOS. Это хороший способ для первого шага, но следует помнить, что в этом случае в программе необходимо предусмотреть возможность ее завершения по команде с консоли, ибо при нажатии кнопки RESET последует инициализация диска D:> и программа будет уничтожена. Соответственно, запись на диск D:> не подходит для отладки программ, использующих сторожевой таймер в режиме сброса.

Другой способ загрузки - это программирование флэш памяти (диск С:>). Для этого предназначен специальный пункт меню Program. Перед выполнением этого ответственного шага необходимо знать следующее.

Директория ALLFILE, которая находится на поставочной дискете, содержит образцовые файлы, которые будут переноситься на флэш диск C:>.

Файл DEMO DIS.HEX получается из файлов в директории ALLFILE в результате работы программы ROMDISK.EXE.

Файлы ROM DOS.HEX и ADAMINI.HEX представляют собой образы ROM DOS 6.22 и мини BIOS, которые подстегиваются к файлу DEMO DIS.HEX программой HEXCAT.EXE и упаковываются в файл ADAM DEM.HEX, который, собственно, и загружается во флэш память.

Все эти процессы начинаются при нажатии кнопки меню «Program» и являются обратимыми вплоть до появления на экране надписи «Now is programming FLASH …».

Таким образом, для записи программы на флэш диск 5510 ее нужно поместить в директорию ALLFILE и, если необходимо, указать ее в файле autoexec.bat из этой же директории.

Если программа требует более 130 кбайт оперативной памяти, необходимо удалить из файла config.sys упоминание о vdisk.sys. Затем запускается программа Adam5510.exe и выбирается пункт меню Program.

Существует еще один способ загрузки программ в ADAM 5510 для отладки - вообще их туда не загружать, а пользоваться удаленным отладчиком загрузчиком TDREMOTE.EXE, поставляемым в составе систем программирования фирмы Borland.

Для использования утили ты TDREMOTE необходимо приобрести или изготовить еще один кабель - нуль модемный - и соединить им СОМ1 ADAM 5510 и один из СОМ портов вашей персоналки (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Соединение PC и ADAM-5510 нуль-модемным кабелем

Во вторых, необходимо переделать стандартный TDREMOTE в TDADAM с помощью специальной утилиты UPDATE.EXE, поставляемой вместе с контроллером.

Конфигурация контроллера ADAM 5510 несколько отличается от привычной РС архитектуры. Так как ни один из модулей ввода вывода не использует прерываний, в системе возможны только два типа прерываний: от таймера сторожа и от коммуникационных портов (таблица 2.1)

Таблица 2.1 - Доступные прерывания

Источник прерывания	Адрес вектора
Немаскируемое прерывание	02Н
Прерывание от СОМ1	0СН
Прерывание от СОМ2	0ЕН

Распределение памяти в контроллере показано в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Карта памяти ADAM-5510

0xF8000 - 0xFFFFF	Отладочный монитор
0xF6C00 - 0xF7FFF	Мини BIOS
0xCC000	Начальный адрес флэш диска (около 171 K)
0xC0000	Начальный адрес ROM DOS(около 48 K)
0x40000 - 0xBFFFF	Не используется
0x00400 - 0x3FFFF	ОЗУ, доступное для программ
0x00000 - 0x003FF	Системная область
0x003F8 - 0x003FF	COM1
0x002F8 - 0x002FF	COM2
0x00070 - 0x00071	Часы реального времени

Как видно, программирование устройства требует некоторого навыка и учета аппаратных особенностей.

Библиотеки хорошо документированы и поставляются вместе с исходными текстами. Пользователю, желающему быстро написать работоспособную программу, они, окажут хорошую помощь.

В ADAM-5510 аппаратура получилась довольно надежной, сбалансированной и открытой для пользователя. Производительность процессора и скорость локальной шины, к которой подключены модули, позволяет опытному пользователю решать на нем сложные задачи.

Например, классическая тестовая задача опроса 64 цифровых каналов ввода на предмет подсчета поступающих импульсов написанная на ТС++ v.3.0 с использованием поставляемых библиотек, заняла около 10 кбайт кода и позволила делать около 1700 циклов в секунду.

Программист на Ultralogic может не знать ничего о внутреннем устройстве ADAM 5510. Для него важно понимать, какие модули ввода вывода присутствуют в его контроллере и на какие именно линии в них приходят те или иные сигналы. Эта информация задается при определении модели и на значении переменных (рисунок 2.9).

После этого достаточно в поле редактора изобразить функциональную схему (в формате МЭК 1131.3), выражающую зависимость выходных переменных от входных, и нажать на кнопку «компиляция проекта».



Рисунок 2.9 - Экран настройки параметров АЦП

Полученный в результате этого исполняемый модуль будет содержать вашу стратегию, а также поддержку сети на базе RS 485 и, если это нужно, таймера сторожа. ADAM 5510 превращается в полный аналог PLC.

Для решения типовых задач управления Ultralogic содержит обширную библиотеку типовых «кубиков», таких как, например, ПИД регуляторы, нормализаторы ввода сигналов термопар, функции работы с таймером, триггеры, амплитудные ограничители, уловители фронтов, счетчики и т.п. Скорость создания работоспособных приложений при использовании Ultralogic оказывается на порядок выше, чем при программировании на языках класса С или Pascal. Важно, что в состав пакета входит мощный отладчик, который позволяет отладить ваш проект в эмуляторе без загрузки его в ADAM 5510.

Скорость выполнения задач, скомпилированных на Ultralogic, существенно превосходит скорость выполнения аналогичных задач, написанных на С++ с использованием поставляемых производителем библиотек. Так, например, описанная здесь тестовая задача по подсчету импульсов на 64 каналах показала производительность около 4500 циклов в секунду.

Дело в том, что при включении модели ADAM 5510 в Ultralogic программистами была проведена большая работа по оптимизации методов работы с аппаратурой и критическому переосмыслению библиотек, поставляемых производителем. Особых успехов удалось достичь в оптимизации драйверов работы с АЦП.

В результате этих работ программа, написанная на Ultralogic, может получать новые данные с аналоговых входов с интервалом от 10 до 100 миллисекунд (в зависимости от требуемой точности), причем занимаясь в это время другими делами. Для сравнения, при использовании стандартных библиотек цикл ввода с АЦП занимает 0,6с при полной занятости процессора. Отдельно стоит упомянуть и удобство подключения ADAM 5510, запрограммированного с помощью Ultralogic, или даже целой сети из них к компьютеру верхнего уровня. Существует специальная программа, оформленная в виде DLL модуля для связи с SCADA системой Genie, оставляющая последней только функции визуализации, в то время как решением задач сбора информации и управления занимается непосредственно ADAM 5510. Существует также DDE сервер, позволяющий подключать сеть из ADAM 5510 к другим SCADA системам, таким как Genesis фирмы Iconics.

2.3 Промышленные контроллеры фирмы WAGO

Появление распределенных АСУ ТП породило необходимость в разработке специальных сетевых решений, ориентированных на эксплуатацию в промышленных условиях. Основными требованиями были высокая помехозащищенность, достаточная скорость передачи данных и низкая стоимость самого кабеля. Поскольку многие вещи в мире происходят достаточно хаотично, то и на промышленные сети (Fieldbus) этот принцип распространился в полной мере. В результате в области Fieldbus строения предлагается множество решений, причем популярность различных Fieldbus в США и Европе сильно различается. Отсутствие единого стандарта заставляет каждый раз при приобретении оборудования ориентироваться на конкретных производителей. Фирма WAGO пошла по другому пути.

Пример этого - контроллер WAGO I/O System производства фирмы WAGO (рисунок 2.10) для работы в распределенных АСУ ТП на основе сетей Fieldbus.

Рисунок 2.10 - Внешний вид контролера WAGO I/O System

Этот контроллер насыщен различными конструктивными и идеологическими новинками. Главные цели, которые ставили перед собой создатели контроллера WAGO I/O System, были следующие:

возможность работы контроллера в составе всех наиболее распространенных типов сетей Fieldbus;

возможность создания на основе контроллера WAGO I/O System узлов АСУ ТП с минимальной избыточностью по каналам ввода/вывода;

максимально компактная конструкция;

простой монтаж на DIN рельсы;

большой выбор комбинаций модулей с различными функциями ввода/вывода в одном узле сети;

максимальная легкость электромонтажа с минимумом необходимого инструмента.

Конструктивно контроллер WAGOI/O System состоит из модулей двух типоразмеров - сетевого адаптера и модулей ввода/вывода. Сетевые адаптеры выпускаются для работы в сетях Profibus, Interbus S, CANbus, CANopen, CAL, DeviceNET и LIGHTBUS. При этом для перевода узла сети с одного типа Fieldbus на другой нет необходимости менять и перемонтировать весь контроллер - достаточно заменить лишь сетевой адаптер (это проиллюстрировано на рисунке 2.11).

Рисунок 2.11 - Замена сетевого адаптера

Для минимизации стоимости сетевые адаптеры выпускаются в двух исполнениях - с возможностью подключения цифровых и аналоговых модулей и только цифровых. Контроллер WAGO I/O System является безынициативным и должен работать под управлением какого либо интеллектуального устройства, например компьютера, на котором выполняется SCADA программа.

Конфигурирование производится так же с использование любого хост контроллера на основе того же компьютера с соответствующим программным обеспечением и сетевой платой.

Исследования показали, что распределенные АСУ ТП на основе контроллеров с модулями ввода/вывода на 16 и 8 каналов имеют значительную избыточность (то есть часть каналов ввода/вывода остается невостребованной), зависящую от числа узлов АСУ ТП (диаграмма на рисунке 2.12).



Рисунок 2.12 - Зависимость числа избыточных каналов ввода/вывода для системы из 256 каналов

Для улучшения этого показателя модули контроллера WAGO I/O System рассчитаны на подключение только четырех, двух или одного канала ввода/вывода. Первое, на что обращаешь внимание при знакомстве с WAGO I/OSystem, это отсутствие традиционного для практически всех ПЛК объединительного шасси. Механическим соединителем для отдельных модулей ввода/вывода у WAGO является стандартный монтажный DIN рельс. А шины питания и управления/данных - необходимые атрибуты любого контроллера есть и в WAGO I/O System. Только реализованы они настолько необычно, что это заслуживает отдельного более подробного рассмотрения. Каждый модуль имеет на своей левой грани два соединителя для шины данных и напряжения питания (рисунок 2.13), а на правой грани соответствующие им ответные части разъемов.

Рисунок 2.13 - Реализация шин данных в контроллере WAGO I/O System

При последовательной установке модулей на DIN рельс эти разъемы соединяются и обеспечивают сквозную передачу данных и питания от модуля к модулю. За счет такого конструктивного решения в контроллере WAGO I/O System практически отсутствует ограничение по количеству модулей ввода/вывода, соединяемых вместе. Такое ограничение вносится, как правило, только со стороны идеологии конкретной реализации Fieldbus. Находящийся внутри сетевого адаптера микропроцессор через последовательную шину данных непрерывно сканирует состояние входов/выходов подключенных модулей и по запросу хост-контроллера сети передает их в сеть или изменяет их состояние.

Чтобы окончательно разобраться в конструкции WAGO I/O System, по шагам реализован узел сбора данных в сети CANBUS (DeviceNet) с 3 цифровыми каналами ввода сигналов 0..24В, одним цифровым каналом вывода и одним каналом для подключения термопар. Итак, на монтажный рельс DIN слева направо последовательно устанавливаем:

адаптер сети CANBUS (DeviceNet);

два 2 канальных модуля ввода цифровых сигналов и один одноканальный модуль вывода;

один одноканальный модуль для подключения термопар;

один концевой пассивный модуль (обязательный элемент контроллера WAGO I/O System).

В результате имеем контроллер с минимальной избыточностью по каналам (один канал цифрового ввода) в чрезвычайно малых габаритах который можно установить в небольшой герметичный клеммный ящик. И это еще не все плюсы от применения WAGO I/O System.

Представим, что участок модернизируется и все оборудование решили подключить к сети ProfiBus. Единственное, что потребуется модернизировать в каждом отдельном узле сети на основе WAGO I/O System, поменять сетевой адаптер на соответствующий адаптер для ProfiBus из набора WAGO I/O System.

Еще одной конструктивной особенностью WAGO I/O System является способ подключения внешних сигналов к контроллеру (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 - Подключение проводников к WAGO I/O System

К контроллеру фирмы WAGO проводники можно подключать с использованием пружинных клемм этой же фирмы. Скорость монтажа/демонтажа, гарантированная надежность электрического контакта и устойчивость к вибрациям в сочетании с компактностью. Все положительные черты, присущие клеммам WAGO, в полной мере унаследованы и контроллером WAGO I/O System.

Функциональный набор модулей ввода/вывода рассматриваемого контроллера является достаточно типичным: цифровой и аналоговый ввод/вывод, счетчики и некоторый набор специальных модулей типа RS 232 и «токовой петли».

Отдельных слов заслуживает способ монтажа/демонтажа модулей. Такое крепления к несущим рейкам DIN (рисунок 2.15) занимает мало времени

Рисунок 2.15 - Установка модулей в контроллер

2.4 Промышленный контроллер фирмы Siemens Simatic S7

Простота эксплуатации и обслуживания, работа в реальном масштабе времени и почти неограниченные возможности коммуникации - все эти качества делают гибко программируемые контроллеры SIMATIC S7 200 практически универсальным средством построения систем управления. Обладая модульной архитектурой, в которую входят различные по мощности ЦПУ, это семейство устройств существенно расширяет привычную область применения гибко программируемых микроконтроллеров.

Область применения этих контроллеров простирается от простейших задач автоматизации, при решении которых использование программируемых контроллеров прежде было бы непозволительной роскошью, до создания больших децентрализованных систем управления на базе информационной шины PROFIBUS.

Рисунок 2.16 - Внешний вид Siemens SimaticS7-200

Одним из самых важных преимуществ контроллеров S7 200 является простота их эксплуатации. Это относится как к средствам программирования контроллеров с их несложной структурой, так и к оптимальному сочетанию программного и аппаратного обеспечения.

Полная стандартизация используемых команд сводит к минимуму затраты на создание пользовательских программ. Несложная структура программ обеспечивает их наглядность. Подпрограммы и функции обработки прерываний просто присоединяются к телу основной программы. Для исполнения специальных функций - включая функции обмена данными, выполнение программных циклов, регулирования по алгоритму PID, и даже работы с числами с плавающей запятой - в распоряжение разработчика предоставляются простые в применении команды. Двух инструкций «Читать сеть» и «Передавать в сеть», например, вполне достаточно для того, чтобы организовать передачу нужных данных в соответствующий момент времени по определенному адресу. Едва ли возможно организовать еще более простую процедуру обмена данными между двумя ЦПУ.

Дополнительный комфорт в программирование пользовательских приложений вносит наличие команды «Receive», предназначенной для коммуникации с оборудованием других производителей.

Все ЦПУ контроллеров S7 200 оснащены базовым набором таймеров, счетчиков, маркеров для создания оптимальных пользовательских программ. Кроме того, программное обеспечение автоматически распознает адреса многочисленных модулей расширения.

Для быстрого освоения работы с контроллерами S7 200 поставляется так называемый «Пакет для начинающих», который позволит неопытным пользователям сделать первые шаги в обслуживании этих устройств, а также в рекордно короткие сроки дойти до написания собственных программных приложений.

Быстрые и точные реакции на происходящие в управляемом технологическом процессе события в реальном масштабе времени перестали быть преимуществом лишь больших и мощных контроллеров. SIMATIC S7 200 решает эти задачи с легкостью. Его быстрые функции обработки прерываний, счетчики и модулируемые по длительности импульсов выходы ставят новые, до сих пор невиданные в области программируемых микроконтроллеров, рекорды быстродействия.

Четыре входа «тревоги» не дадут ни одному событию в управляемом процессе остаться незамеченным. Время обращения входов «тревоги», равное максимально 0,2 мс, и время обработки бинарных операций, составляющее лишь 0,8 мкс (начиная с CPU 214), в сочетании с командами прямого доступа к выходам периферии обеспечивают наикратчайшее время реакции пользовательской программы и контролируемое управление технологическим процессом. Кроме того, все контроллеры данного семейства оснащены функцией обработки прерываний, генерируемых по времени, которые позволяют решать задачи периодического контроля или периодического вывода управляющих сигналов, не увеличивая существенно время обработки главного программного цикла.

Так, например, можно прерывать программный цикл каждые 5 мс (разрешающая способность до 1 мс!), считывать аналоговые значения давлений и вращающих моментов в управляемой системе и обрабатывать их.

Таким образом, возможно без проблем обработать до 20000 событий в секунду, осуществляя одновременное управление шаговыми моторами. Большое разнообразие интегрированных функций счетчиков и таймеров (например, инкрементальный датчик) позволят пользователям решить практически любую задачу автоматизации с точностью до миллисекунды без необходимости применения вспомогательных подпрограмм, как правило, чрезвычайно интенсивных по используемой памяти и времени обработки.

Для ускорения реакции на входные и выходные команды возможен прямой доступ к входам/выходам периферии, так что центральный процессор контроллера постоянно работает с актуальными значениями сигналов датчиков и сенсоров и может в любой момент влиять на протекание технологического процесса. Это справедливо также и для входов/выходов подключенных к контроллерам по информационной шине модулей децентрализованной периферии. Такая возможность работы в реальном масштабе времени особенно важна при измерении скоростей перемещения и вращения, при решении задач позиционирования или синхронизации шаговых моторов и моторов постоянного тока. Кроме того, в контроллер S7 200 встроены часы реального времени (начиная с CPU 214),которые помимо секунд, минут и часов, могут также оперировать с датами и днями недели. Для обеспечения работы встроенных часов даже при длительных перебоях электропитания может использоваться буферная батарея.

В то время как обычные устройства класса программируемых микроконтроллеров, как правило, работают в режиме «соло», контроллеры S7 200 могут работать совместно. Это значит, что их можно встраивать в комплексные децентрализованные автоматизированные системы (рисунок 2.17).

Рисунок 2.17 - Интегрирование Simatic S7-200 в АСУТП

Для интеграции по шине PROFIBUS и шине S7 200 (интерфейс PPI) в информационную сеть, состоящую из программируемых контроллеров, а также устройств считывания бар кодов, принтеров, персональных компьютеров и терминалов, не требуется никакого дополнительного аппаратного обеспечения, кроме соединительного кабеля. Подключение к шине производится по последовательному интерфейсу RS 485 посредством стандартного 9 полюсного штекера, который подходит и к любому программатору. При помощи кабеля PC/PPI можно осуществлять подключение к стандартному интерфейсу RS 232. Программное обеспечение протокольного уровня также уже содержится в микроконтроллере. Таким образом гарантируется, что к микроконтроллеру, если он работает как устройство Master, могут также параллельно подключаться по интерфейсу PPI текстовые дисплеи или панели оператора из спектра устройств семейства SIMATIC.

Интерфейс RS 485 гибко программируется, и к нему могут подключаться такие устройства, как, например, модемы. Особой гибкостью отличается CPU SIMATIC S7 216, которое оборудовано двумя последовательными интерфейсами и, таким образом, может параллельно работать в режимах PPI и «Freeport». В то время как по одному интерфейсу осуществляется коммуникация между устройством Slave и устройством Master, по другому может осуществляться управление модемом, принтером или другими периферийными устройствами. Подобным образом могут» реализовываться системы удаленного контроля работы насосных станций нефтедобывающих вышек, холодильных установок, очистных сооружений или ветряных электростанций. Быстрая об работка коммуникационных прерываний - одно из преимуществ контроллеров S7 200.

...