Построение промышленных сетей автоматики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

Тип сети - Modbus-RTU;

Разрядность ЦАП/АЦП =12 бит;

n=10; =30; =8; =4;

=2; =50 м; =100 м; F=15 Гц.

Где

n=10- число зон распределенной системы автоматического управления технологическим процессом;

- число аналоговых параметров;

- число аналоговых воздействий;

- число дискретных параметров;

- число дискретных воздействий;

- расстояние между зонами;

- расстояние между зонами-расстояние от первой зоны до места подключения к АСУТП;

F - частота, с которой система верхнего уровня АСУТП осуществляет обмен с модулями ввода-вывода.

В пределах зоны модули вводы-вывода расположены не более чем в =0,5 м. друг от друга.



Оглавление

Введение

1. Выбор моделей распределённого ввода-вывода

2. Расчёт линии передачи

3. Спецификация на сетевое оборудование, включая кабельные линии

4. Спектр линейного сигнала

Заключение

Приложения



Введение

Неотъемлемой частью любой автоматизированной системы управления технологическим процессом (далее - АСУ ТП) являются устройства связи с объектом (далее - УСО), назначение которых заключается в сопряжении датчиковой аппаратуры и исполнительных механизмов контролируемого объекта и/или технологического процесса с вычислительными средствами системы. Существует множество протоколов передачи данных, самым распространённым из которых является протокол Modbus. Он конкурирует только с Profibus, который в России не используется. Протокол Modbus имеет три разновидности: ASC II, RTU и TCP. Но в данной курсовой работе будет рассмотрен только протокол Modbus-RTU.



1. Выбор моделей распределённого ввода-вывода

Modbus-RTU- это открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре master-slave (главный-ведомый), который широко применяется в области релейной защиты и автоматики для организации связи между цифровыми устройствами. Протокол MobBus является протоколом типа "ведущий-ведомый", т.е. в одно и то же время к шине подключено может быть только одно ведущее устройство (мастер) и один или несколько (до 247) ведомых устройств (слейвы). Передача данных инициируется всегда ведущим устройством. Ведомые устройства могут отвечать отвечают только на запросы ведущего. Ведущее устройство единовременно может инициировать запросы к конкретному ведомому устройству (unicast mode) или всем ведомым устройствам (broadcast mode - широковещательный опрос). Ведомые устройства сети не отвечают на широковещательные запросы, а только принимают их. В Modbus-RTU сообщения (ADU) между собой должны разделяться интервалами тишины, не менее времени передачи 3,5 сек. Символов на той же скорости. Если ADU начнётся раньше, то оно будет восприниматься, как часть предыдущего. Если между двумя символами интервал передачи ADU превысит 1,5 символа, то ADU считается незавершённо - ошибочным. Для контроля ошибок используется CRC16(в составе ADU). CRC-это16-разрядная величина, то есть 2 байта. CRC вычисляется передающим устройством и добавляется к сообщению. Принимающее устройство также вычисляет CRC в процессе приёма и сравнивает вычисленную величину с полем контрольной суммы предыдущего сообщения. Если суммы не совпали, то имеет место ошибка.

Учитывая условия технического задания и проанализировав 5 серий модулей распределённого ввода-вывода (Advantech ADAM-4000, Advantech ADAM-5000, ICP DAS I-7000, ОВЕН, RealLab), выбираем:

Универсальный 8-канальный модуль аналогового ввода ADAM-4019+ в количестве 4 штук;

Модуль аналогового вывода ADAM-4024 в количестве 2 штук;

Один модуль дискретного ввода-вывода ADAM-4055.

Все модули выбраны из одной серии: ADAM-4000.

Модули серии ADAM4000 предназначены для организации взаимодействия между вычислительной системой и датчиками непрерывных и дискретных параметров, а также для выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы. Каждый модуль представляет собой функционально законченное устройство, заключенное в пластмассовый корпус. Модули обеспечивают выполнение следующих основных функций:

1) прием и дешифрацию команд по каналу RS-485;

2) ввод и нормализацию аналоговых сигналов (ток, напряжение);

3) опрос состояния дискретных входов;

4) фильтрацию аналоговых и дискретных входных сигналов;

5) вывод аналоговых (ток, напряжение) и дискретных сигналов;

6) аналого-цифровое (для модулей аналогового ввода) преобразование (далее - АЦ-преобразование);

7) цифро-аналоговое (для модуля аналогового вывода) преобразование

(далее - ЦА-преобразование);

8) преобразование шкалы значений непрерывных параметров в предварительно заданные единицы измерения;

9) формирование и передачу в адрес основной вычислительной системы информации, содержащей результат измерения или состояние дискретных входов, после получения соответствующего запроса по каналу RS-485.

Модули аналогового ввода и вывода имеют гальваническую изоляцию между цепями, реализующими функции нормализации, низкочастотной фильтрации и АЦ/ЦА-преобразования, и встроенным микропроцессором. Настройка и калибровка модулей осуществляется программным способом путем передачи в их адрес соответствующих команд по информационной сети на основе интерфейса RS-485. Параметры конфигурации модулей, такие как скорость обмена по последовательному каналу связи, наличие проверки контрольной суммы в принятом сообщении, диапазон изменения входного сигнала и его размерность, вид представления измеренных значений при передаче в адрес основной вычислительной системы, верхнее и нижнее предельные значения входного сигнала, по которым производится автоматическое управление дискретными выходами, сохраняются во встроенном репрограммируемом ПЗУ с электрической записью/ электрическим стиранием. Электрическое питание модулей осуществляется напряжением 10...30 В постоянного тока.

Так как n=500 м., < 1200 м., то дополнительного оборудования (коммутаторов, концентраторов) не требуется.

2. Расчёт линии передачи

Исходя из требуемой скорости обмена, вычислим длительность информационного бита:

= ,

где С-скорость

Одна посылка данных состоит из 11 бит.

Назначение бит: 1 стартовый бит, 8 бит данных, 1 бит паритета, 1 стоповый бит, если есть паритет, если нет паритета, то 2 стоповых бита.

С=11,

где N-количество используемых приборов;

F-частота;

n-число зон распределённой системы.

С=11=11550 бит/сек.;

Следовательно, принимаем скорость, равной 19200 бит/сек. (С=19200 бит/сек.), так как в данном протоколе возможные скорости передачи составляют 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бит/сек.

==5, 2 (сек.)

Принимаем напряжение сигнала (), которое должно присутствовать на входе самого удалённого приёмника, равным 500 мВ.

Max допустимый уровень искажения сигнала на входе самого удалённого приёмника принимаем равным 20%; =20%.

Задаём максимальное требуемое значение длины кабеля:

L=n;

L=1050=500 (м).

Вычислим максимально допустимое значение омического сопротивления кабеля длиной 500 м.;

=,

где - сопротивление терминатора

- min напряжение сигнала на выходе передатчика.

Так как в стандарте Modbus-RTU применяется такой физический интерфейс, как RS-485, который требует установки на концах соединительной линии терминирующего резистора номиналом 120 Ом ().

==120 (Ом), следовательно, исходя из стандартного ряда сопротивлений E-24 берём =120 Ом.

Вычислим погонное сопротивление кабеля

== = 0,24 ()

Исходя из стандартного ряда сопротивлений E-24 принимаем = 0,24 ().

Руководствуясь справочными данными, выбираем кабель, волновое сопротивление которого равно принятому в п.5, а погонное сопротивление не более, чем в п.6.

Выбираем кабель Belden 3105A

Вычисляем длительность переднего фронта импульса

=2,2L

Принимаем = =120 Ом (сопротивление кабеля)

Тогда =2,2500 = 4,765 (сек.)

= = 0, 0916;

Определим реальное значение уровня искажений сигнала на входе самого удалённого приёмника (, %) по диаграмме:



И сходя из диаграммы, определяем, что уровень искажения =4% (=4 %).

3. Спецификации на сетевое оборудование, включая кабельные линии

Спецификация на универсальный 8-канальный модуль аналогового ввода ADAM-4019+

Основные характеристики модуля ADAM-4019+

Тип интерфейса	RS-485
Скорость передачи данныхADAM-4019+	1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 Бит/сек
Максимальная длина линии связи	1200 м
Поддерживаемые протоколы	ASC II и Modbus/RTU
Количество каналов аналогового ввода	8 дифференциальных, с независимой настройкой
Входные диапазоны сигнала по напряжению	;;;;
Входные диапазоны сигнала по току	4 20мА
Поддерживаемые термопары	J, K, T, E, R , S, B
Входное сопротивление	Напряжение-20Мом, ток-120 Ом
Токовый шунт	Внешний, 125 Ом
Перегрузка по входу	35 В
Полоса пропускания	15.7 Гц
Разрядность АЦП	16 бит
Частота выборки АЦП	10 Выборок/сек
Тип преобразования АЦП	Сигма-дельта преобразование
Режимы запуска АЦП	Встроенный генератор
Гальваническая изоляция ADAM-4019+	3000 В
Погрешность	0.1...0.1 %
Коэффициент подавления помехи общего вида	86 дБ
Коэффициент подавления помехи нормального вида	100 дБ
Температурный дрейф нуля	20 мкВ/°C
Сторожевой таймер	Есть
Разъемы	Винтовые клеммы
Напряжение питания	+10...+30В
Потребляемая мощность	1.3 Вт
Рабочая температура	-10...+70 °С

Спецификация на универсальный модуль аналогового вывода ADAM-4024

Основные характеристики модуля ADAM-4024

Тип интерфейса	RS-485
Скорость передачи данных	1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 Бит/сек
Максимальная длина линии связи	1200 м
Поддерживаемые протоколы	ASC II и Modbus/RTU
Количество каналов аналогового вывода	1
Входные диапазоны сигнала по току	0 20мА ; 4 20мА
Полоса пропускания	15.7 Гц
Разрядность АЦП	12 бит
Напряжение изоляции	3000 В
Температурный коэффициент	ppm/
Температурный дрейф нуля	Напряжение- 30 мкВ/°C; ток-0,2 мкА/°C
Сторожевой таймер	Есть
Диапазоны выходного сигнала по напряжению	0...+5В, 0...+10В, -5...+5В, -10...+10В
Диапазоны выходного сигнала по току	0...+20 мА, 4...+20 мА
Напряжение питания	+10...+30В
Потребляемая мощность	2.5 Вт
Рабочая температура	-25...+75 °С
Влажность	5…95%
Габариты корпуса	122x75x25 мм
Исполнение модуля	Крепление на DIN рейку, монтаж на стену

Спецификация на модуль 8-канального дискретного ввода-вывода ADAM-4055

Основные характеристики модуля ADAM-4055

Тип интерфейса	RS-485
Скорость передачи данных	1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 Бит/сек
Максимальная длина линии связи	1200 м
Поддерживаемые протоколы	ASC II и Modbus/RTU
Индикатор	Светодиодный
Уровни входных сигналов	0,1 -3…24 В
Тип выхода	Открытый коллектор
Напряжение питания	10…30 В постоянного тока, нестабилизированное
Потребление	0,9 Вт
Рабочая температура	-25...+75 °С
Влажность	5…95%
Габариты корпуса	122x75x25 мм
Исполнение модуля	Крепление на DIN рейку, монтаж на стену
Рабочая частота	5Гц-50 кГц -max
Канал	2, открытый коллектор на 30 В, 30 мА
Напряжение изоляции	500 В постоянного тока
Входное напряжение	До 50 В постоянного тока
Входные каналы	8 штук с гальванической изоляцией
Выходные каналы	штук типа «открытый коллектор»

Спецификация на кабель Belden 3105A

Описание конструкции:

Одна витая пара, 22AWG, многожильные проводники из лужёной меди, изоляция жил из вспененного полиэтилена высокой плотности Datalene, общий экран из алюминиевой фольги Beldfoil(покрытие 100 %) и медной оплётки (покрытие 65 %), многожильный дренажный провод, внешняя оболочка из поливинилхлорида, устойчиво к воздействию УФ излучения, масел и нефтепродуктов.

Область применения:

Кабель промышленного назначения с высокой помехозащищённостью. Применяется в сетях на основе интерфейса RS-485. Подходит для применения в условиях агрессивной среды.

Основные характеристики кабеля Belden 3105A

Материал и конструкция	Проволока из лужёной меди, многожильный
Диаметр проводника	0,76 мм (22AWG)
Площадь сечения проводника	0,36
Количество и диаметр жил	7x0,254 мм
Диаметр проводника в изоляции	2,21 мм
Количество пар	1 витая пара
Цветовая кодировка	Белый/синий x Синий/белый
Волновое сопротивление	120 Ом
Номинальная ёмкость	36,1 пФ/м
Приведённая скорость передачи сигнала	78%(ном.)
Сопротивление проводника по постоянному току	48,2 Ом/км (ном.)
Сопротивление общего экрана постоянному току	9, 2 Ом/км (ном.)
Коэффициент затухания на частоте 1 МГц	1,6 дБ/100м
Рекомендуемое значение тока(при 25)	2,7 А напроводник

4. Спектр линейного сигнала

Прямоугольное колебание (меандр)

Меандр - это периодический сигнал прямоугольной формы, который широко используется в радиотехнике. Длительность импульса и длительность паузы в периоде такого сигнала равны. Таким образом, меандр - это периодический прямоугольный сигнал со скважностью, равной 2. Спектр меандра пропорционален функции sinc(x).

Для нечётной функции s(t)=-s(-t) обращаются в ноль все коэффициенты .

=dt = dt = (-cos()

=(1-cos ); = 0 для чётных n=0,2,4,…

= для нечётных n=1,3,5,…

s(t)= ( + + +…)



Для построения сигнала с амплитудой = 10 В и частотой - 15 Гц воспользуемся программой MatLab. Текст программы представлен в приложении 1.

Число гармоник берём 1000, так как чем их больше, тем сигнал ближе к идеальной форме.

Вид сигнала представлен на рисунке 1.

Рисунок 1-Вид сигнала

Рисунок 2- Приближённый вид сигнала



Заключение

В результате выполнения курсовой работы, мы подобрали необходимое оборудование (универсальные модули ввода-вывода) из серии ADAM -4000, рассчитали линию передачи. Также было разработано специальное программное обеспечение для мониторинга параметров и передачи управляющих воздействий оборудованию АСУТП.

автоматизированный сетевой протокол



Библиографический список

1. Борисов, А.М. Основы построения промышленных сетей автоматики: учебное пособие / А.М. Борисов. изд. - Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2012. - 93 с.

2. http://www.prosoft.ru/products/brands/advantech/349924/1350/349923/

3. http://www.abn.ru/catalog/belden/3105a.shtml



Приложение 1

Текст программы для построения сигнала в MatLab

A=10;

f=15;

w=2*3.14*f;

t=0:0.0000001:0.0001;

s=0;

for i=1:2:1000

s=s+(1/i)*sin(i*w*t);

end

s=s*(4*A/3.14);

plot(t,s)

grid;

title('signal spectrum');

xlabel('time, [sec]');

ylabel('signal, [B]');

Размещено на Allbest.ru

...