Микроконтроллерная система взвешивания танков с жидким хлором

Микроконтроллерная система взвешивания танков с жидким хлором

-   процессор: 80188, 16-разрядный.

-       память ОЗУ: 256 кбайт.

-       флэш-ПЗУ: 256 кбайт.

-       операционная система: ROM-DOS.

-       часы реального времени: встроенные.

-       сторожевой таймер: встроенный.

-       количество обслуживаемых модулей ввода-вывода: 4.

-       последовательных порта: RS-232 и RS-485.

-       напряжение изоляции: 3000 В.

Сигналы с имитатора заводятся на модули аналогового ввода ICOS-87017 имеющий 8 дифференциальных каналов, эффективное разрешение 16 бит, входной диапазон: ±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА, напряжение изоляции 1000 В (пост.), частота выборки 10 Гц (общая), входное сопротивление 2 МОм.

Для реализации сброса уровня дистиллята  и управления имитатором используется 4 – канальный релейный модуль ICOS-8060. Напряжение пробоя: 500 В. Замыкание (среднее) 3 мс. Размыкание (среднее) 1 мс. Полное время переключения 10 мс.

Питание имитатора производится от 4-канального модуля аналогового вывода ICOS-8024: эффективное разрешение 12 бит; выходной диапазон: 0…20, 4…20 мА, 0…10 В; напряжение изоляции 500 В.

3.2.2 Разработка имитатора процесса получения водорода

На рисунке 3.8 представлена схема имитации сигналов с участка подготовки дистиллята. Она реализует изменение таких параметров как: давление, расход пара перед дистиллятором, повышение и сброс уровня дистиллята в приемном баке. 

Рисунок 3.11 - Схема имитации подготовки дистиллята.

Сигналы данной схемы снимаются с шунтов R2, R3 и изменяются с помощью построечного  резистора  R1 в пределах от 0 до 10 В.  Для имитации изменения уровня дистиллята в баке снимается напряжение с конденсатора С1. При  достижении нужной величины напряжения конденсатор С1 разряжается на сопротивление нагрузки R5 с помощью реле модуля I-8060.  Чтобы исключить влияние изменения напряжения  С1, на общую схему используется микросхема.   

Расчет сопротивлений R1, R2, R3 производится  по закону Ома при питании схемы 10 В и токе 20 мА. Примем R1=0 Ом, то R2 равно:

R2=10В/20мА = 500 Ом

Для обеспечения изменения Uвых= 0,1В –10В берем соотношение R2:R1, как 1:10 следовательно R1=5 кОм.

Время  заряда конденсатора определяется зависимостью: 3Т=RC.

Примем время заряда С1 600с, емкость С1=1000 мФ, тогда:

R4= 3000/600 = 500 Ом

 Рисунок. 3.12 - Схема имитации электролизера

На рисунке 3.12  представлена электрическая схема имитации сигналов датчиков электролизёра. Она реализует изменение температуры водорода, кислорода, электролита под влиянием изменения силы тока, подаваемого на электроды, а также интенсивности охлаждения газов в разделительных колонках. Имитация изменения температуры водорода реализуется по плечу схемы R3R4, а кислорода по плечу R2R5. Влияние силы тока на процесс электролиза осуществляется с помощью реостата R1. С сопротивления резистора R6 снимается напряжение, показывающее изменение температуры электролита. Для исключения взаимного влияния токов, протекающих по  цепям R3R4 и R2R5, в эти цепи включены диоды VD1,VD3 и VD2,VD4 соответственно. Данная схема позволяет с помощью реле К1 и К2 модуля I-8060 реализовать аварийную ситуацию выхода из строя одной из разделительных колон. Номиналы элементов сведены в таблице

Рисунок 3.13 - Схема имитации разделительных колонн.

Представленная схема на рисунке 3.13 формирует сигналы датчиков, контролирующих изменение давления кислорода и водорода в колоннах, а также концентрацию этих газов друг в друге. Элементы, реализующие изменение данных параметров не зависят друг от друга и собраны в параллельную схему.

Выходной сигнал каждой цепи должен изменятся в пределах от 0.1 до 10 В. Для этого используем цепь, состоящую из двух резисторов, переменного Rпер и постоянного Rпост. Примем Rпер=0, тогда Rпост равно:

Rпост=10В/20мА=500 Ом

Для реализации заданного предела максимальное значение Rпер должно быть равно 5кОм. В схеме, изображенной на рисунке 3.6 Rпер. =R1=R2=R3=R4, а Rпост.=R5=R6=R7=R8.

Рисунок 3.14 - Схема питания имитатора сигналов.

Питание имитатора осуществляется постоянным током от модуля аналогового вывода I-8024. Данный модуль обеспечивает изменение напряжения от 1 до 10 В при максимальном токе 5 мА. Для питания имитатора требуется минимальный ток 20 мА. Поэтому, для увеличения тока питания, подаваемого от I-8024, используем эмиттерный повторитель тока с питанием от блока с напряжением 24 В. Данная схема приведена на рис. 3.14.

На рисунке 3.15 представлена общая схема имитатора. Внешний вид  и фотография разработанного имитатора представлен на рисунке 3.17., 3.18.

Рисунок 3.16 - Внешний вид имитатора

3.17 – Имитатор сигналов
4 РАЗРАБОТКА ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАМНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ SCADA-СИСТЕМЫ

4.1 Выбор  программного обеспечения

При проектировании современных систем автоматизации вопросу выбора системного и прикладного программного обеспечения уделяется не меньше внимания, чем вопросу выбора КТС. ПО, в зависимости от конечного пользователя, может представлять как среду исполнения и исполнительную среду, так и среду проектирования и среду представления, тем самым образуя связь всех уровней технических средств между собой и оператором. От надёжности работы системного программного обеспечения зависит функциональность всей системы автоматизации в целом. Исходя из задач АСУТП к системному ПО выдвигались следующие основные требования:

-         высокая производительность;

-         малая ресурсоёмкость;

-         надёжность;

-         многозадачность в реальном масштабе времени;

-         развитость и высокая скорость графического интерфейса;

-         поддержка всех распространённых сетевых протоколов.

Рассмотрев варианты операционных систем начиная от широко распространённых MS - DOS и Windows 9x и заканчивая узко специализированными QNX и SNA была выбрана операционная система Windows NT Workstation.

Операционная система Windows NT Workstation позиционируется прежде всего как клиент в сетях Windows NT Server, а также в сетях NetWare, Unix, Vines. В сетях NetWare рабочие станции Windows NT восполняют известный пробел - отсутствие хорошего сервера приложений. Компьютер с установленной на нем Windows NT может быть рабочей станцией и в одноранговых сетях, выполняя одновременно функции и клиента, и сервера. Windows NT Workstation может применяться в качестве ОС автономного компьютера, если необходимы повышенная производительность или секретность, а также при реализации сложных графических приложений, например, в системах автоматизированного управления и проектирования. Таким образом Windows NT -сетевая операционная система с приложениями для Internet, сервисами файлов и печати, службой удаленного доступа, встроенным маршрутизатором, индексированием файлов и управлением сетью.

При выборе операционной системы учитывалось наличие в Windows NT Workstation распределенной модели объектной компоновки (Distributed Component Object Model). Модель объектной компоновки (СОМ) позволяет разработчикам программ создавать приложения, состоящие из отдельных компонент. Распределенная модель (DCOM) в Windows NT 4.0 расширяет СОМ таким образом, что позволяет отдельным компонентам взаимодействовать через Internet. DCOM является растущим стандартом Internet, опубликованным в со­ответствии с форматом, определенным в спецификациях RFC 1543. Стандарт передачи данных DCOM находит широкое применение в современных промышленных системах сбора и обработки информации.

Очень важным аспектом операционной системы Windows NT является её надёжность и отказоустойчивость (reliability and robustness) обеспечивающиеся архитектурными особенностями, которые защищают прикладные программы от повреждения друг другом и операционной системой. Windows NT использует отказоустойчивую структурированную обработку особых ситуаций на всех архитектурных уровнях, которая включает восстанавливаемую файловую систему NTFS и обеспечивает защиту с помощью встроенной системы безопасности и усовершенствованных методов управления памятью.

В таблице 4.1 приведены сравнительные характеристики различных версий операционных систем Windows.

Таблица 4.1 - Сравнительные характеристики ОС Windows

В качестве прикладного программного обеспечения использовался набор утилит фирмы IPC "7000 Utiliti". Данный набор утилит позволяет производить программное объединение используемых модулей аналогового и дискретного ввода/вывода а также производить диагностику и первичную настройку этих модулей. Настройка производится по следующему алгоритму:

Модуль серии I-8000 должен подключаться к компьютеру через преобразователь интерфейса I-7520. На клеммы питания преобразователя и модуля необходимо подать постоянное напряжение 24В соответствующей полярности. Клеммы данных модуля и преобразователя интерфейса следует соединить в соответствии со знаком.

Для запуска утилиты необходимо: в меню «Пуск» -> «Программы» найти группу «7000 utility» и запустить программу «7000 util».

Для поиска модулей сначала необходимо настроить параметры последовательного порта (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – настройки порта

Для этого необходимо нажать кнопку «ComPort». В появившемся окне выбрать порт №1 «COM1», скорость обмена 115200 и нажать кнопку «ОК».

Далее необходимо нажать кнопку поиска модулей «Search» (рисунок   4.2). Затем в раскрывшемся окне запустить поиск (кнопка пуск «    » ). Через некоторое время ниже появиться список найденных модулей (после появления искомого модуля можно приостановить поиск кнопкой пауза).

При нажатии на выбранный из списка модуль  появляется окно настройки  и  тестирования  модуля  (рисунок  4.3). Например:  для  модуля  I-8017 необходимо установить величину и тип входного сигнала. При нажатии на кнопку "Run" наличие сигнала на каждом канале, после чего нажать кнопку "Stop". 

Рисунок 4.2 – Поиск модулей

Рисунок 4.3  – Окно настройки модулей

4.2 Выбор SCADA-системы

4.2.1 Определение и общая структура SCADA

SCADA – процесс сбора информации реального времени с удаленных точек (объектов) для обработки, анализа и возможного управления удаленными объектами. Требование обработки реального времени обусловлено необходимостью доставки (выдачи) всех необходимых событий (сообщений) и данных на центральный интерфейс оператора (диспетчера). В то же время понятие «реального времени» отличается для различных SCADA-систем. Прообразом современных систем SCADA на ранних стадиях развития автоматизированных систем управления являлись системы телеметрии и сигнализации.Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента (рисунок 4.4).

Remote Terminal Unit (RTU) – удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени; в зависимости от конкретного применения может представлять собой от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Применение устройств низкоуровневой обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи с центральным диспетчерским пунктом.

Master Terminal Unit (MTU), Master Station (MS) – диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило в режиме мягкого (квази-) реального времени; одна из основных функций – обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой (HMI, MMI). В зависимости от конкретной системы MTU может быть реализован в виде от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных систем (мэйнфреймов) и/или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Как правило, и при построении MTU используются различные методы повышения надежности и безопасности работы системы.

Communication System (CS) – коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU (или удаленный объект – в зависимости от конкретного исполнения системы).

Рисунок 4.4 - Основные функциональные компоненты SCADA-системы

Можно выделить четыре основных функциональных компонента SCADA-систем:

-             человек-оператор;

-             компьютер взаимодействия с человеком;

-             компьютер взаимодействия с задачей (объектом);

-             задача (объект управления).

Особенности процесса управления в современных диспетчерских системах сосредоточены в следующих положениях:

-              процесс SCADA применяется в системах, в которых обязательно наличие человека (оператора, диспетчера);

-              процесс SCADA был разработан для систем, в которых любое неправильное воздействие может привести к отказу (потери) объекта управления или даже катастрофическим последствиям;

-              оператор несет, как правило, общую ответственность за управление системой, которая, при нормальных условиях, только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимальной производительности;

-              активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени, обычно в случае наступления критических событий (отказы, нештатные ситуации и пр.);

-              действия оператора в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами или даже секундами).

К SCADA-системам предъявляются следующие основные требования:

-              надежность системы (технологическая и функциональная);

-              безопасность управления;

-              точность обработки и представления данных;

-              простота расширения системы.

Требования безопасности и надежности управления в SCADA включают:

-              любой единичный отказ оборудования не должен вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;

-              любая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;

-              все операции по управлению должны быть интуитивно-понятными и удобными  для оператора (диспетчера).

Таблица 4.2 - Сравнительная характеристика SCADA-систем, представленных на российском рынке