Автоматизированная система управления взрывоопасным технологическим процессом

Министерство образования Российской Федерации

Московский государственный открытый университет

Контрольная работа 1

по дисциплине:

«Аппаратные средства РСУ»

Выполнила:

студентка 5 курса ФИРЭ

Токарева О.П.

Преподаватель: Егоров В.С.

Москва 2008

Содержание:

1. Модель распределённой системы управления MTU-RTU и её компоненты

2. Интеллектуальные датчики: типы, структура и функции

3. Физический уровень реализации сетей, интерфейс RS 485

4. Протокол PROFIBUS и сеть на его основе

5. Автоматизированная система управления взрывоопасным технологическим процессом

Список литературы

1. Модель распределённой системы управления MTU-RTU и её компоненты

В контрольной 4 вопроса и задание. Вопросы 1 и 3 и тип производства для задания выбираются по последней цифре шифра вопросы 2 и 4 - по предпоследней. Тип производства может быть изменён по согласованию с преподавателем.

Все современные SCADA - системы включают три основных структурных компонента (см. рис.1):

(Рис.1. основные структурные компоненты SCADA - системы)

Remote Terminal Unit (RTU) удалённый терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. Спектр его воплощений широк от примитивных датчиков, осуществляющих съём информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жёсткого реального времени. Конкретная его реализация определяется конкретным применением. Использование 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. В зависимости от конкретной системы MTU может быть реализован в самом разнообразном виде от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных систем (мэйнфреймов) и/или объединённых в локальную сеть рабочих станций и серверов. Как правило, и при построении MTU используются различные методы повышения надёжности и безопасности работы системы.

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

2. Интеллектуальные датчики: типы, структура и функции

Применяемые в дискретном производстве интеллектуальные датчики достигли, наконец, своего «совершеннолетия». Непрерывное снижение стоимости контроллерных микросхем и стремительный рост их функциональных возможностей позволяют встраивать эти чипы во все меньшие по размерам изделия. Тем временем, развитие программного обеспечения для систем машинного зрения привело к снижению их сложности, и теперь для их установки уже не требуется иметь докторскую степень.

Автоматизация сбора и обработки технологической информации требует применения датчиков, способных на что-то ещё помимо выдачи сообщений о включении-выключении. Система штрих-кодов, например, позволяет записывать информацию о произведённом изделии непосредственно на нём самом. Для считывания этой информации с последующей передачей её контроллеру или серверу данных необходим датчик, обладающий рядом специальных возможностей, а также, возможно, способный работать в неблагоприятных условиях.

Во многих реальных приложениях недостаточно лишь обнаружить тот или иной объект. Наличие в бесконтактных переключателях и фотоэлектрических датчиках аналоговых выходов могло бы позволить, например, определять расстояния до объекта. Стоимость и характеристики современных систем технического зрения таковы, что обеспечение полного машинного контроля становится вполне реальной задачей. Достижения в области соответствующих технологий позволяют использовать трёхмерное зрение в критических пространственных приложениях. Благодаря различению цветов, высокому быстродействию и возможности подключения к каналам Ethernet недорогие видеодатчики становятся всё более привлекательными, расширяя область их применения.

Следует помнить, что датчики могут подвергаться воздействию производственной среды. Когда бесконтактные сенсоры эксплуатируются в неблагоприятных условиях (например, в составе систем управления транспортировочными линиями и плиточными конвейерами), производитель датчиков здесь практически бессилен и мало что может сделать для решения возникающих проблем. Однако меры по устранению влияния пыли и масляного тумана на оптические датчики уже разрабатываются.

Карл Клингер (Karl Klinger), руководитель направления из компании ifm efector (Экстон, Пенсильвания), говорит, что интеллектуальный датчик способен самостоятельно подстраиваться под условия эксплуатации и непрерывно регулировать свою чувствительность в целях достижения максимальной эффективности. «Своим интеллектом датчики обязаны микропроцессорным технологиям. Микропроцессор - это мозг датчика, позволяющий устройству «изучать» условия, в которых оно работает. Являясь самообучающейся микропроцессорной системой, такой датчик способен обрабатывать большие объёмы информации с высокой скоростью. Именно благодаря микропроцессорам сегодня у пользователя есть весьма удобные в установке, настройке и применении датчики».

Интеллектуальные датчики в многоканальных испытательных системах:

В последнее время в области разработки эффективных, недорогих и безошибочных многоканальных динамических испытательных систем были достигнуты значительные успехи. Благодаря появлению современных контрольно - измерительных приборов, передающих в базу данных точные сведения о своих характеристиках, чувствительности, местоположении и т.д., внесение оператором ошибок в документацию было практически устранено. В значительной мере эти успехи обязаны применению так называемых «смешанных» интеллектуальных датчиков - обычных аналоговых устройств со встроенными микросхемами, содержащими специфическую для данного датчика информацию. В обычном режиме работы выходной сигнал такого датчика является аналоговым. При поступлении от пользователя специальной команды датчик начинает передавать цифровую информацию, содержащую его идентификационный номер. Передача цифровых данных осуществляется по той же паре проводников, при помощи которой подаётся напряжение питания и которая используется для передачи выходного высокочастотного аналогового сигнала. По окончании цифровой передачи линия связи вновь подключается к аналоговым выходным цепям датчика.

Назначение предлагаемого стандарта единого интерфейса - формулирование рекомендаций по разработке протоколов и интерфейсов «смешанных» интеллектуальных датчиков, а также согласование с форматом данных TEDS (Transducer Electronic data Seet - Электронная спецификация данных преобразователя). Реализация этого стандарта позволит отказаться от традиционной практики учёта использования датчиков, а также существенно снизить приходящиеся на один канал удельные затраты, связанные со сбором данных, их проверкой и анализом в многоканальных испытательных системах, применяющихся в промышленных и лабораторных условиях.

3. Физический уровень реализации сетей, интерфейс RS 485

Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют пропускания, помехозащищённость, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, такую как крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме того, здесь стандартизируются типы разъёмов и назначение каждого контакта.

Физический уровень:

· Передача битов по физическим каналам;

· Формирование электрических сигналов;

· Кодирование информации;

· Синхронизация;

· Модуляция.

Реализуется аппаратно.

Функции физического уровня реализуется во всех устройствах, подключённых к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Примером протокола физического уровня может служить спецификация RS-485 - это номер стандарта, впервые принятого Ассоциацией электронной промышленности (EIA). Сейчас этот стандарт называется TIA/EIA-485 Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems

В народе RS-485 - это название популярного интерфейса, используемого в промышленных АСУТП для соединения контроллеров и другого оборудования. Главное отличие RS-485 от также широкого распространённого RS-232 - возможность объединения нескольких устройств.

Интерфейс RS-485 обеспечивает обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи в полудуплексном режиме. Широко используется в промышленности при создании АСУ ТП.

Скорость и дальность

RS-485 обеспечивает передачу данных со скоростью до 10 Мбит/с. Максимальная дальность зависит от скорости: при скорости 10 Мбит/с максимальная длина линии - 120м, при скорости 100 кбит/с - 1200 м.

Количество соединяемых устройств

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

Протоколы и разъёмы

Стандарт не нормирует формат информационных кадров и протокол обмена. Наиболее часто для передачи байтов данных используются те же фреймы, что и в интерфейсе RS-232: стартовый бит, биты данных, бит паритета (если нужно), стоповый бит.

Протоколы обмена в большинстве систем работают по принципу «ведущий» - «ведомый».

Одно устройство на магистрали является ведущим (master) и инициирует обмен посылкой запросов подчинённым устройствам (slave), которые различаются логическими адресами. Одним из популярных протоколов является протокол Modbus RTU.

Тип соединителей и распайка также не оговариваются стандартом. Встречаются соединители DB9, клеммные соединители и т.д.

При подключении следует правильно присоединить сигнальные цепи, обычно называемые А и В.

Переполюсовка не страшна, но устройство работать не будет.

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

Общие рекомендации

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 защитой «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. Например, широко распространённый кабель UTP-5, используемый для прокладки Ethernet, имеет импеданс 100 Ом. Специальные кабели для RS-485 марки Belden 9841 … 9844 - 120 Ом. Для другого типа кабеля может потребоваться другой номинал.

Резисторы могут быть запаяны на контакты кабельных разъёмов у конечных устройств. Иногда резисторы бывают смонтированы в самом устройстве и для подключения резистора нужно установить перемычку. В этом случае при отсоединении устройства линия рассогласовывается, и для нормальной работы остальной системы требует подключение согласующей заглушки.

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 приведённом ниже рисунке:

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 приёмника RS-485 минимальный уровень принимаемого сигнала должен быть не менее 200 мВ.

4. Протокол PROFIBUS и сеть на его основе

PROFIBUS ((PROcess Field BUS)) (читается - Профи бас) - открытая полевая шина (сеть), разработанная компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров SIMATIC. Очень широко распространена в Европе, особенно в машиностроении и управлении промышленным оборудованием. Сеть PROFIBUS это комплексное, она основывается на нескольких стандартах и протоколах. Сеть отвечает требованиям международных стандартов IEC 61158 и EN 50170. Поддержкой, стандартизацией и развитием сетей стандарта PROFIBUS занимается PROFIBUS NETWORK RGANISATION (PNO).

Задачи в области промышленной связи часто требуют разных решений. В одном случае необходим обмен сложным, длинными сообщениями со средней скоростью. В другом - требуется быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощённого протокола обмена, например, с датчиками или исполнительными механизмами. В третьем случае необходима работа во взрыво- и пожароопасных условиях производства. PROFIBUS имеет эффективное решение для любого из этих случаев. PROFIBUS - семейство промышленных сетей, обеспечивающее комплексное решение коммуникационных проблем предприятия. Под этим общим названием понимается совокупность трёх различных, но совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.

Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Основное его назначение - передача больших объёмов данных.

Протокол PROFIBUS-DP применяется для высокоскоростного обмена данными между программируемым логическим контроллером и распределёнными устройствами связи с объектом. Физическая среда передачи - экранированная витая пара стандарта RS-485. Скорость обмена прямо зависит от длины сети и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 м до 12 Мбит/с на дистанции до 100 м. Взаимодействие узлов в сети определяется моделью «Master-Slave»(ведущий-ведомый). Master последовательно опрашивает подключённые узлы и выдаёт управляющие команды в соответствии с заложенной в него технологической программой. Протокол обмена данными гарантирует определённое время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узлов сети, что позволяет применять PROFIBUS в системах реального времени.

Страницы: 1, 2