Разработка системы управления установкой выпаривания на базе микропроцессорного контроллера

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство промышленности Республики Беларусь

Учреждение образования

«Жлобинский государственный металлургический колледж»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: «Эксплуатация и наладка электронных систем программного управления в автоматизированном производстве»

Тема: «Разработка системы управления установкой выпаривания на базе микропроцессорного контроллера»

КП 2-53 01 31-01 01 ПЗ

Разработал:

А.А. Пужаускас

Руководитель:

И.В. Савушкина

2013



Содержание

Введение

1 Общая часть

1.1 Назначение и характеристики системы управления

1.2 Требования к системе управления

2 Конструкторская часть

2.1 Разработка структуры системы управления

2.2 Обоснование выбора контроллера

2.3 Выбор и обоснование выбора типа и количества модулей

2.4 Расчет процентного использования модулей

2.5 Выбор и расчёт блока питания

2.6 Конфигурирование системы

3 Технологическая часть

3.1 Последовательность и технология монтажа системы управления

3.2 Размещение системы управления. Планирование внутреннего пространства шкафа

3.3 Анализ методов диагностирования системы управления

Заключение

Список использованных источников



Введение

Торговая марка SIMATIC широко известна во всём мире, как синоним программируемых логических контроллеров. Сегодня под именем SIMATIC подразумеваются системы комплексной автоматизаций (Totally Integrated Automation - TIA), позволяющие создавать управляющие комплексы любой степени сложности на базе стандартных компонентов. TIA представляет качественно новый метод унификации систем автоматизаций мирового производства и технологий, в котором стандартные аппаратные и программные средства управления сливаются в единую систему: SIMATIC.

В основу построения таких систем положены следующие принципы:

1 Набор встроенных функций, всеобъемлющая диагностика, парольная защита, удобная система подключения внешних цепей, отсутствие ограничений на порядок размещения модулей позволяет создавать многообразные конфигураций систем управления.

2 Широкий спектр центральных процессоров, сигнальных, функциональных, коммуникационных и интерфейсных модулей позволяет в максимальной степени адаптировать контроллер к выполнению поставленных задач. Поддержка функций «горячей» замены модулей.

3 Возможность подключения к одному базовому блоку контроллера до 21 стойки расширения, возможность использования ТОР-соединений.

4 Возможность использования всего промышленного программного обеспечения SIMATIC .

Комплексная интегрируемая автоматизация включает в себя:

1 ПЛК - программируемые логические контроллеры;

2 системы управления процессом WinAC;

3 системы числового программного управления С7;

4 преобразователи частоты;

5 контрольно измерительная аппаратура;

6 программируемые сети NET;

7 распределения периферии;

8 низковольтные коммуникационная аппаратура (реле);

9 промышленные компьютеры (ПК).



1. Общая часть

1.1 Назначение и характеристики системы управления

Программируемый логический контроллер (ПЛК) - это устройство на основе микропроцессора, основная задача которого сбор информации с датчиков, последовательная обработка по заданному алгоритму, а также выдача сигналов на исполнительное устройство. Современные ПЛК помимо простых логических операций способны выполнять цифровую обработку сигналов, управление приводами, регулирование, функции операторского управления. для управления исполнительными механизмами -- электродвигателями, клапанами, лампочками и т. п., которые являются неотъемлемой частью систем автоматизации во всех отраслях промышленности.

Программируемый логический контроллер играет очень важную роль в технологическом процессе установки выпаривания. Установка выпаривания является достаточно сложным технологическим объектом с множеством датчиков различного назначения, а именно: датчик давления вакуумной камеры, датчик уровня выпарной камеры, датчик давления пара, датчик давления продукта, датчик температуры пара, датчик расхода продукта, датчик температуры выпарной камеры, датчик давления выпарной камеры, датчик давления дистиллята, датчик температуры дистиллята, 2 датчика температуры концентрата, 2 датчики давления концентрата, 2 датчика температуры продукта, 2 датчика давления концентрата в емкости, датчик расхода концентрата.

Система управления осуществляет контроль за клапанами: вакуумный клапан, клапан подачи эмульсии, клапан подачи пара, клапан подачи продукта, клапан концентрата выпарной камеры, клапан откачки дистиллята выпарной камеры, клапан концентрата, клапан эмульсии. А также целым блоком двигателей насосов: насос дистиллята, дозировочный насос, вакуумный насос, насос концентрата. Датчики позволяют ПЛК следить за необходимыми физическими величинами, исходя из значений которых, ПЛК подает управляющие сигналы на блок двигателей, клапаны.

Так, например, получив информацию о высоком давлении в одной из камер от датчика давления пара, ПЛК подает управляющий сигнал на клапан, тем самым открывая его.

Система управления контролирует технологический процесс выпаривания. Получая сигналы с датчиков, она обрабатывает их, после чего выдает управляющие сигналы на исполнительные устройства с целью изменения необходимой величины до значения, соответствующего технологическому процессу.

1.2 Требования к системе управления

Цель создания системы управления - построение единого информационно технологического и управляющего пространства, предоставляющего персоналу эффективное информационное окружение для принятия своевременных и качественных решений по управлению технологическим процессом.

Необходимо выяснить, какие устройства требуют аппаратно реализованных схем для удовлетворения требований безопасности. По определению, эти защитные схемы функционируют независимо от программируемого контроллера (хотя защитная схема в общем случае предоставляет интерфейс ввода/вывода для обеспечения координации с программой пользователя). Обычно проектируется матрица подключения каждого исполнительного устройства со своей собственной областью аварийного отключения. Эта матрица является основой для построения принципиальной схемы защитного устройства.

Для проектирования механизмов защиты следует действовать следующим образом:

а) определить логические и механические/электрические блокировки между отдельными задачами автоматизации;

б) спроектировать схемы, разрешающие ручное управление устройствами, относящимися к процессу, в случае аварии;

в) определить все остальные требования к защите для безопасного функционирования процесса.

Создание схемы защиты

В промышленном процессе независимо от программируемого контроллера (ПЛК) один аварийный выключатель отключает следующие устройства:

а) блок двигателей насосов;

б) двигатель компрессора;

в) клапаны.

Аварийный выключатель находится на станции оператора. Один вход в контроллер индицирует состояние аварийного выключателя.

К негативным факторам, определяющим промышленную среду, относятся: температура и влажность, удары и вибрация, коррозионно-активная газовая среда, минеральная и металлическая пыль, электромагнитные помехи. Эти факторы обусловливают жесткие требования, определяющие схемотехнические решения, элементную и конструктивную базу ПЛК. Физическое исполнение контроллера определяется требуемой степенью защиты, начиная от контроллеров в легких пластиковых корпусах, металлических корпусах, предназначенных для работы в особо жестких условиях. Правильно подобранный по условиям эксплуатации контроллер нельзя повредить извне без применения экстремальных методов.

Система управления должна удовлетворять жестким требованиям безопасности, не допускающим нанесения увечий и телесных повреждений, как самому оператору, так и другим лицам, находящимся в помещении. На случай аппаратной или программной ошибки, которые ведут к нарушению технологического процесса, обязательно должна присутствовать кнопка аварийной остановки.

Система управления должна быть многоуровневой и обеспечивать прозрачное взаимодействие различных уровней автоматизации, а именно:

1) уровень 1 - уровень агрегатов и установок (приборы и средства контроля, преобразователи, исполнительные устройства, ПЛК);

2) уровень 2 - уровень мониторинга и протоколирование процесса, настройки и управления технологическими процессами агрегатов и установок;

3) уровень 3 - система для планирования работы и управления агрегатами, оперативно диспетчерского управления, управление технологиями, учет производства, расходов ресурсов и интеграция между уровнем 2 и уровнем 4;

4) уровень 4 - уровень систем корпоративного управления.

Режим работы СУ должен быть непрерывным круглосуточным с перерывами на профилактические и ремонтные работы. Должно быть обеспечено совместное функционирование систем всех уровней в составе единого комплекса при полном или частичном отказе функций должны быть предусмотрены средства, направленные на минимизацию рисков и потерь.

При проектировании системы управления должны быть предусмотрены возможности расширения объемов входной информации, видов, количества и состава форм отображения информации, архивов истории процесса и подключения к другим системам автоматизации.

Защита данных должна осуществляться путем организации периодического резервного копирования данных на носитель информации и их хранение. При необходимости восстановления данных носители информации участвуют в их восстановлении применительно к той установке, где они были потеряны.

Среднее время наработки на отказ подсистем не менее 10000 часов и 5000 часов для системы управления в целом. Среднее время восстановления работоспособного состояния системы не более 4-х часов. Восстановление чаще всего обеспечивается оперативной заменой вышедших из строя модулей на заведомо исправные. При проектировании системы принимаются решения по организации архитектуры, режимов функционирования, внутрисистемных диагностических возможностей, решение по выбору программно-аппаратных средств системы, которые должны быть направлены на достижение требуемых показателей надежности функционирования.



2. Конструкторская часть

2.1 Разработка структуры системы управления

Структурная схема -- это совокупность элементарных звеньев объекта и связей между ними, один из видов графической модели. Под элементарным звеном понимают часть объекта, системы управления и т. д., которая реализует элементарную функцию.

Рисунок 1 - Упрощённая структурная схема

Структурная схема преследует цель визуализации связей между компонентами, объекта управления и системы управления. Упрощенно в нашу системы входят 3 процесса: технологический процесс, программируемый логический контроллер, панель оператора. Эти три компонента связаны следующим образом: информация физического характера (температура, поток, напряжения, давление и т.п.) поступает на центральный компонент системы управления, т.е. ПЛК и далее выводится на панель оператора.

Рисунок 2 - Структурная схема



С учетом исходных данных составим структурную схему, приведенную в графической части.

Таким образом, оператор может оперативно отслеживать изменения параметров технологического процесса. Кроме того, имеется возможность подавать сигналы задания на ПЛК, при условии, что полученные от датчиков параметры не соответствуют заданным. Получив задание от пульта оператора, ПЛК преобразует информацию и посылает задание на исполнительные механизмы объекта управления. Таким образом, осуществляется управление технологическим процессом. Из упрощенной структуры (см. рисунок 1) можно получить более детальную (см. рисунок 2).

2.2 Обоснование выбора контроллера

Оптимальным контроллером для нашего технологического процесса является контроллер S7-300. Выбор данного контроллера обусловлен малым количеством входных и выходных сигналов, а также относительной низкой сложностью решения задач автоматического управления. Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания также обеспечивают получение рентабельных решений для построения системы автоматического управления установкой выпаривания.

Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

Контроллеры SIMATIC S7-300 поддерживают широкий набор функций, позволяющих в максимальной степени упростить процесс разработки программы, ее отладки, снизить затраты на обслуживание контроллера в процессе его эксплуатации:

а) Высокое быстродействие и поддержка математики с плавающей запятой, позволяющие выполнять эффективную обработку данных и обеспечивающие существенное расширение спектра допустимых областей применения контроллеров.

б) Удобный интерфейс для настройки параметров: для настройки параметров всех модулей используется единый набор инструментальных средств с общим интерфейсом.

в) Человеко-машинный интерфейс. Функции обслуживания человеко-машинного интерфейса встроены в операционную систему контроллера. Эти функции позволяют существенно упростить программирование. Система или устройство человеко-машинного интерфейса запрашивает необходимые данные у контроллера, контроллер передает запрашиваемые функций, позволяющих в максимальной степени упростить процесс разработки программы, ее отладки, снизить затраты на обслуживание контроллера в процессе его эксплуатации:

С помощью диагностических функций, встроенных в операционную систему контроллера осуществляется непрерывный контроль функционирования системы, и выявляются все возникающие отказы. Диагностические сообщения с отметками даты и времени накапливаются в кольцевом буфере для последующего анализа.

Также большое количество модулей программируемого контроллера S7-300 оснащено набором встроенных интеллектуальных функций, существенно упрощающих эксплуатацию системы управления:

а) мониторинг сбора сигналов (диагностика);

б) мониторинг сигналов аппаратных прерываний.

Диагностика используется для определения работоспособности модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов. Для передачи диагностической информации применяются маскируемые и не маскируемые сообщения.

Контроллеры SIMATIC S7-300 обладают широкими коммуникационными возможностями, которые поддерживаются:

а) коммуникационными процессорами для подключения к сетям PROFIBUS, PROFINET/Industrial Ethernet и ASInterface;

б) коммуникационными процессорами PtP для использования последовательных (RS 232, TTY, RS 422/ RS 485) каналов связи;

в) MPI интерфейсом, встроенным в каждый центральный процессор и позволяющим создавать простые и недорогие сетевые решения для связи с программаторами, персональными и промышленными компьютерами, устройствами человеко-машинного интерфейса, другими системами SIMATIC S7/C7/WinAC;

г) центральными процессорами, оснащенными дополнительными встроенными интерфейсами PtP, PROFIBUSDP или Industrial Ethernet.

Таким образом, данный программируемый контроллер полностью удовлетворяет условиям, поставленным для построения системы управления.

2.3 Выбор и обоснование выбора типа и количества модулей

Модули ввода и вывода цифровых, и аналоговых сигналов выбираются исходя из количества входных и выходных сигналов, а также исходя из потребности в различных диагностических функциях и возможности индикации.

Рисунок 3 - Блок двигателей насосов



Рисунок 4 - Двигатель компрессора

Рисунок 5 - Блок датчиков

Рисунок 6 - Блок преобразователей

Рисунок 7 - Клапаны

В качестве центрального процессора выбираем процессор CPU 314: центральный процессор с встроенным интерфейсом MPI для построения систем управления, в которых требуется скоростная обработка информации и поддержка систем локального ввода-вывода, включающих в свой состав до 32 модулей. Имеется встроенная RAM объемом 96 Кбайт, поддерживается загружаемая память в виде микрокарты памяти емкостью до 8 Мбайт. Обладает возможностью необслуживаемого сохранения данных: при перебоях в питании в микрокарту памяти автоматически записываются состояния флагов, таймеров, счетчиков и содержимое блоков данных.

Возможна реализация циклических прерываний, прерываний по дате и времени, по задержке, прерываний от процесса, диагностических прерываний. В своем составе имеет диагностический буфер, который сохраняет 100 последних сообщений об отказах и прерываниях. Содержимое буфера используется для анализа причин, вызвавших остановку центрального процессора. Все диагностические сообщения могут снабжаться отметками даты и времени. Имеются встроенные коммуникационные функции: управление промышленный микропроцессорный контроллер

а) PG/OP функции связи;

б) стандартные функции S7 связи через MPI.

Из этого следует, что приведенный выше процессор полностью удовлетворяет условиям, поставленным для построения системы управления.

Определим, какие из сигналов являются входными, а какие выходными, попутно относим их принадлежность к цифровым или аналоговым.

Входными сигналами для контроллера являются:

1) двигатели 1-5 запущены DI;

2) двигатели 1-5 остановлены DI;

3) двигатели 1-5 неисправны DI;

4) двигатели 1-5 на обслуживании DI;

5) клапаны 1-6 открыты DI;

6) клапаны 1-6 закрыты DI;

7) давление (9) AI;

8) уровень (4) AI;

9) температура (7) AI;

10) расход (2) AI;

11) время выпаривания DI;

12) старт DI;

13) стоп DI;

14) авария DI;

15) обслуживание DI;

16) готовность преобразователя DI;

17) сигнал с преобразователя DI.

Количество входных сигналов удваивается, за исключением сигнала готовности преобразователя, сигнала с преобразователя. Количество входных цифровых сигналов равно 76. Количество входных аналоговых сигналов равно 44.

Выходными сигналами для контроллера являются:

1) пуск двигателя 1-5 (х2) DO;

2) остановка двигателя 1-5 (х2) DO;

3) на преобразователь DO;

4) сигнал задание на преобразователь DO;

5) отклик двигателей 1-5 AO;

6) выбор таймера двигателей 1-5 DO;

7) открыть клапаны 1-6 (х2) DO;

8) закрыть клапаны 1-6 (х2) DO;

9) текущее время выпаривания DO;

10) пуск/остановка установки выпаривания (х2) DO;

11) аварийный стоп (х2) DO;

12) давление (9) AO;

13) расход (2) AO;

14) уровень (4) AO;

15) обслуживание (2) DO.

Итого количество выходных цифровых сигналов равно 63. Количество выходных аналоговых сигналов равно 15.

Определим тип и количество необходимых модулей.

Модули ввода дискретных сигналов предназначены для преобразования входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы. К входам модулей могут подключаться контактные датчики или бесконтактные датчики.

Количество входных дискретных сигналов равно 76. Из этого следует, что нам понадобятся 2 модуля ввода цифровых сигналов по 32 входа каждый и один модуль на 16 входов. Технические данные сведем в таблицу 1.

Таблица 1 - Технические данные модулей ввода дискретных сигналов

Тип	6ES7-321-1BL00	6ES7-321-7BH01
Количество модулей	2	1
Количество входов	32 (2х16)	16 (2х8)
, В	24	24
, мА	15	130 (от источника питания U=24В 90мА)
	6,5	4
Диагностические возможности	-	+

Модули ввода аналоговых сигналов предназначены для аналого-цифрового преобразования входных аналоговых сигналов контроллера и формирования цифровых величин, используемых центральным процессором в процессе выполнения программы.

К входам модулей могут подключаться датчики с унифицированными выходными электрическими сигналами напряжения или силы тока, термопары, термометры сопротивления.

Разрешающая способность модулей может быть установлена в пределах 9…14 бит плюс знаковый разряд. От этого параметра зависит и время преобразования. Модули способны формировать запросы на прерывание для передачи диагностических сообщений и сообщений об ограничении входного сигнала. При необходимости от модуля может быть получена расширенная диагностическая информация. Модули SM 331 могут работать в системах локального ввода-вывода всех модификаций программируемых контроллеров S7-300, а также в станциях распределенного ввода-вывода ET 200M.

Количество входных аналоговых сигналов равно 44, поэтому нам понадобятся 6 модулей ввода аналоговых сигналов по 8 входов каждый. Технические данные сведем в таблицу 2.

Таблица 2 - Технические данные модулей ввода аналоговых сигналов

Тип	6ES7-331-NF00
Количество модулей	6
Количество входов	8 (2х4)
, В	24
, мА	130
	0,6
Диагностические возможности	+

Модули вывода дискретных сигналов предназначены для преобразования внутренних логических сигналов контроллера в его выходные дискретные сигналы. К выходам модулей могут подключаться исполнительные устройства или их коммутационные аппараты.

Количество выходных дискретных сигналов равно 63. Нам понадобятся 2 модуля вывода цифровых сигналов по 32 выхода каждый. Технические данные приведем в таблице 3.

Таблица 3 - Технические данные модулей вывода дискретных сигналов

Тип	6ES7-322-1BL00
Количество модулей	2
Количество выходов	32 (4x8)
, В	24
, мА	110 (от источника питания L+ 160)
	6,6
Диагностические возможности	-

Модули вывода аналоговых сигналов предназначены для цифро-аналогового преобразования внутренних цифровых величин контроллера и формирования его выходных аналоговых сигналов.

К выходам модулей могут подключаться исполнительные устройства, управляемые унифицированными сигналами силы тока или напряжения.

Количество выходных аналоговых сигналов равно 15. Из этого следует, что нам понадобятся 2 модуля вывода аналоговых сигналов по 8 выходов каждый. Технические данные сведем в таблицу 4.

Таблица 4 - Технические данные модулей вывода аналоговых сигналов

Тип	6ES7-332-5HF00
Количество модулей	2
Количество выходов	8
, В	24
, мА	100 (от источника питания 340)
	6
Диагностические возможности	+

Модули IM 365 поставляются парами в комплекте с соединительным кабелем длиной 1м. Один модуль устанавливается в базовый блок, другой в стойку расширения. Стойка расширения не имеет связи с коммуникационной шиной контроллера, поэтому в эту стойку нельзя устанавливать коммуникационные и функциональные модули. Питание стойки расширения осуществляется через соединительных кабель от базового блока. Потребляемый ток равен 100 мА, мощность потерь 0,5В.

2.4 Расчет процентного использования модулей

С целью выяснения степени загрузки входных и выходных каналов дискретных, а также аналоговых модулей произведем расчет процентного использования модулей, при расчете будем использовать формулу 1.

Конфигурация предусматривает использование двух модулей ввода цифровых сигналов по 32 входа и один на 16 входов. Рассчитаем процент использования каналов модулей ввода по формуле (1) ,, %,

(1)

Таким образом, модули по 32 входа используются на 100 процентов, а модуль на 16 входов на 75 процентов.

Конфигурация предусматривает использование 6 модулей ввода аналоговых сигналов по 8 входов каждый. Рассчитаем процент использования каналов модулей ввода аналоговых сигналов, .

Таким образом, модули на 8 входов с 1-го по 4-й используются на 100 процентов, а с 5-го по 6-й на 75 процентов.

У нас имеется два модуля вывода цифровых сигналов по 32 выхода каждый. Рассчитаем процент использования модулей вывода дискретных сигналов,, %.

Таким образом, один модуль на 32 входа используются на 100 процентов, а второй на 96,87 процентов.

Рассчитаем процент использования двух модулей вывода аналоговых сигналов по 8 выходов каждый,, %.

Таким образом, один модуль на 8 выходов используются на 100 процентов, а второй на 87,5 процентов.

2.5 Выбор и расчет блока питания

Блоки питания PS 305 и PS 307 предназначены для формирования выходного напряжения =24В, необходимого для питания центральных процессоров и целого ряда модулей контроллера SIMATIC S7-300. Блоки питания PS 307 используют для своей работы входное напряжение ~120/230В, блоки питания PS 305 - входное напряжение =24/48/72/96/110В. Все блоки питания могут использоваться как для питания внутренних цепей контроллера, так и для питания его входных и выходных цепей. Модуль монтируется на стандартную профильную шину в крайней левой позиции. Справа от него монтируется модуль центрального процессора или интерфейсный модуль IM 361 (в стойках расширения). Подключение к центральному процессору или интерфейсному модулю IM 361 производится с помощью силовой перемычки, которая входит в комплект поставки каждого блока питания. Рассчитаем потребляемый ток в каждой из стоек, данные занесем в таблицы 5,6,7. Интерфейсные модули IM365 имеют свой собственный источник питания, поэтому при расчете потребление этих модулей не учитывается.

Таблица 5 - Потребление тока в корзине CR2

Модули	Количество	Потребляемый ток, мА
		Модулем	Общий
CPU 314	1	600	600
CP 343-1	1	200	200
SM 321; DI 32	2	15	30
SM 321; DI 16	1	130	130
SM 331; AI 8	4	130	520
IM 365	1	0	0
Всего:	1 480

Общий потребляемый ток в корзине CR составляет 1,48 А.

Таблица 6 - Потребление тока в корзине ER1

Модули	Количество	Потребляемый ток, мА
		Модулем	Общий
SM 331; AI 8	2	130	260
SM 322; DO 32	2	110	220
SM 332; AO 8	2	100	200
IM 365	1	0	0
Всего:	680

Общий потребляемый ток в корзине ER1 составляет 0,68 А. Для выбора блока питания сначала всю сумму потребления тока модулей, кроме центрального процессора, переведем в напряжения 24В, так как блок питания не подключается к профильной шине, а центральный процессор питается напряжением 24В.

5В:

24В:

Теперь определим потребляемый ток, по которому будем выбирать блок питания,, А.

(2)

Так как мы получили потребляемый ток всеми модулями меньше 2 А, то можно выбрать блок питания PS 307 2A.

Таблица 7 - Основные технические данные блока питания

Тип блока питания:	PS 307 2A
Заказной номер:	6ES7 307-1BA00-OAAO
Входное напряжение:	~220 В
Частота тока:	50/60 Гц
Габариты:	50х125х120 мм

2.6 Конфигурирование системы

Программируемый контроллер S7-300 позволяет включить в центральную монтажную стойку до 8 сигнальных модулей. Если такая однорядная конфигурация контроллера не является достаточной, то возможны два варианта расширения конфигурации при использовании CPU 314:

а) вариант двухрядной конфигурации, имеющей центральную стойку и одну стойку расширения (при использовании интерфейсных модулей IM 365 и с расстоянием до одного метра между стойками);

б) вариант конфигурации, состоящей максимально из 4 рядов, т.е. кроме центральной стойки, имеющей до 3 стоек расширения (при использовании интерфейсных модулей IM 360 и IM 361 и с расстоянием до десяти метров между стойками).

Воспользуемся вариантом двухрядной конфигурации, имеющей центральную стойку и одну стойку расширения.

Мы можем задействовать максимум восемь модулей в стойке. Число модулей может быть ограничено также максимально допустимым током потребления на одну стойку, который составляет 1.2 А. Модули связаны между собой внутренней шиной стойки.

С помощью программной утилиты Simatic Step 7 HW Config произведем конфигурирование нашей системы и приведем скриншот конфигурации на рисунке 8 - конфигурация центральной стойки, на рисунке 10 - конфигурация стойки расширения.

Рисунок 8 - Конфигурация центральной стойки

Рисунок 9 - Адресация модулей центральной стойки



Рисунок 10 - Конфигурирование стойки расширения

Рисунок 11 - Адресация модулей стойки расширения



3. Технологическая часть

3.1 Последовательность и технология монтажа системы управления

Для выбора профильной рейки (160(120), 483(450), 530(480), 830(780), 2000(1950) мм) рассчитаем общую длину для каждой из стоек.

Базовая стойка:

PS 307 2A 40x125x120

CPU 314 40x125x130

IM 365 40x125x120

DI x32 40x125x120

DI x32 40x125x120

DI x16 40х125х117

AI 40x125x117

AI 40x125x117

AI 40x125x117

AI 40x125x117

CP 40x125x120

Общая длина: 440мм

Выбираем профильную рейку 483мм.

Стойка расширения:

PS 40x125x120

CPU 40x125x120

IM 365 40x125x120

AI 40x125x117

AI 40x125x117

DO x32 40x125x117

DO x32 40x125x117

AO x8 40x125x117

AO x8 40x125x117

SM 40x125x120

SM 40x125x120

Общая длина: 440мм

Выбираем профильную рейку 483мм.

В качестве стойки для S7-300 применяется профильная шина, на которую навешиваются все модули системы S7-300. Монтаж модулей будем выполнять горизонтально

При размещении модулей на нескольких стойках действуют следующие правила:

1 Интерфейсный модуль всегда занимает слот 3 и находится всегда слева от первого сигнального модуля.

2 На одной стойке может быть размещено не более 8 модулей.

3 Количество размещаемых модулей (SM, FM, CP) ограничено допустимым потреблением тока от задней шины, которое на один ряд не должно превышать 1,2 А.

Будем учитывать эти правила при монтаже системы. Модули монтируются в следующей последовательности:

а) для центральной стойки: 1 - PS, 2 - ЦПУ, 3 - IM, 4-11 - SM, FM, CP;

б) для стойки расширения: 1 - пустой или PS, 2 - пустой или CPU, 3 - IM, 4-11 - SM, FM, CP.

Монтаж начинается с профильной шины с помощью крепежных болтов. Монтируют её таким образом, чтобы оставалось достаточно места для монтажа и охлаждения модулей (не менее 40мм над и под модулями, не менее 20мм от крайних левой и правой точки). Далее модули навешиваются на профильную шину с помощью шинных соединителей. После монтажа необходимо назначить каждому модулю номер слота, таким образом, осуществляется маркировка модулей.

Если центральное устройство и устройство расширения соединяются через надлежащие интерфейсные модули (передающий IM и принимающий IM), нет необходимости выполнять специальные мероприятия по экранированию и заземлению.

Стоит обратить, однако, внимание на то, чтобы:

а) все стойки были соединены между собой проводниками с низким сопротивлением;

б) стойки в заземленной конструкции были заземлены по схеме «звезда»;

в) контактные пружины стоек были чистыми и не погнутыми и, тем самым, был обеспечен отвод токов помех.

Низкоомные соединения с землей уменьшают опасность удара электрическим током при коротком замыкании или неисправностях в системе. Соединения, имеющие низкое сопротивление (большую поверхность контакта), уменьшают воздействие помех на систему и излучение сигналов помех. Способствует этому также эффективное экранирование кабелей и устройств. При заземленном питании нейтральный провод сети заземлен. Простое замыкание на землю между токоведущим проводом и землей или заземленной частью установки ведет к срабатыванию механизмов защиты. Модули с гальванической развязкой применяются для:

а) всех цепей нагрузки переменного тока;

б) цепей нагрузки постоянного тока с раздельным опорным потенциалом.

3.2 Размещение системы управления. Планирование внутреннего пространства шкафа

Необходимо соблюдать размеры зазоров, чтобы обеспечить достаточное место для монтажа модулей и отвода выделяемого ими тепла. Для конструкций S7-300, размещенных на нескольких стойках, рисунок 12 показывает размеры зазоров между отдельными стойками, а также между соседними элементами оборудования, кабельными каналами, по отношению к стенкам шкафов и т.д. Ширина опорного элемента для экрана: а=80 мм

Рисунок 12 - Размер зазоров между отдельными стойками

S7-300 необходимо устанавливать в шкафах, если:

а) вы проектируете большую установку;

б) вы используете свои S7-300 в среде, подверженной действию помех или загрязнений;

в) для выполнения требований UL/CSA об установке в шкафах.

При выборе и расчете шкафов принимайте во внимание следующие критерии:

а) условия окружающей среды на месте установки шкафа;

б) требуемые монтажные зазоры для стоек (профильных шин);

в) общая мощность потерь содержащихся в шкафу компонентов.

Условия окружающей среды на месте установки шкафа (температура, влажность, пыль, химические вещества, опасность взрыва) определяют требуемый вид защиты (IP xx) шкафа.

Мощность потерь, которая может быть отведена из шкафа, зависит от его типа, температуры окружающей среды и размещения приборов в шкафу.

Чтобы определить размеры шкафа, пригодного для установки S7-300 необходимо принять во внимание следующие данные:

а) потребность в месте для стоек (профильных шин);

б) минимально допустимые зазоры между стойками и стенками шкафа;

в) минимально допустимые зазоры между стойками;

г) потребность в месте для кабельных каналов или вентиляторов;

д) положение продольных несущих ребер.

Рассчитаем рассеиваемую мощность компонентов для каждой корзины как сумму потребляемых мощностей.

P1 = 9,86+4+0,5+0,65+0,65+0,4+0,6+0,6+0,6+0,6+5,8 = 24,26 Вт

P2= 0,5+0,6+0,6+6,6+6,6+6+6=26,9 Вт

Таким образом, общая мощность потерь составляет 51,16 Вт.

Рисунок 13 - Отводимая мощность потерь

Исходя из незначительной мощности потерь и с учётом рисунка 13 выбираем шкаф с собственной конвекцией. Отвод тепла производится только через стенки шкафа, тепло скапливается в основном в верхней части.

На следующем рисунке показана диаграмма с ориентировочными значениями для допустимых температур окружающей среды шкафа с размерами 600 x 600 x 2000 мм в зависимости от мощности потерь. Эти значения соответствуют действительности только при соблюдении предписанных зазоров и монтажных размеров для стоек (профильных шин).

3.3 Анализ методов диагностирования системы управления

Многие модули программируемого контроллера S7-300 обеспечивают поддержку широкого спектра функций, существенно упрощающих эксплуатацию системы управления. Эти функции позволяют выполнять мониторинг сбора сигналов (диагностику), а также мониторинг сигналов аппаратных прерываний. Диагностика используется для определения работоспособностей модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов. Для передачи диагностической информации применяются маскируемые и не маскируемые сообщения:

а) маскируемые диагностические сообщения могут пересылаться только в том случае, если это разрешено соответствующими параметрами настройки;

б) не маскируемые диагностические сообщения пересылаются независимо от соответствующих параметров настройки.

Если диагностическое сообщение готово к передаче (например, сообщение об отсутствии напряжения питания датчика), то модуль генерирует диагностическое прерывания (для маскируемых сообщений только в случае определения параметров разрешения передачи). Центральный процессор прерывает выполнение программы пользователя или задач с более низким приоритетом и вызывает соответствующий организационных блок. В зависимости от типа модуля диагностические сообщения могут носить различный характер.

Аппаратные прерывания позволяют существенно снизить время реакции контроллера на появление в тех или иных событий. В зависимости от варианта настройки модулей ввода дискретных сигналов для каждой группы входов модуль способен формировать запросы на прерывание по нарастающему, спадающему или по обоим фронтам входных сигналов. Центральный процессор прерывает выполнение программы пользователя или задач с более низкими уровнями приоритетов и вызывает соответствующий организационных блок. Сигнальный модуль способен временно хранить один запрос прерывания на канал. Параметры настройки модулей ввода аналоговых сигналов определяют верхний и нижний предел измеряемой величины. Модуль сравнивает текущий результат аналого-цифрового преобразования с допустимыми пределами измерений. В случае выхода за допустимые пределы формируется запрос на прерывание. Центральный процессор прерывает выполнение программы пользователя или задач с более низкими уровнями приоритетов и вызывает соответствующий организационных блок. Если измеряемая величина выхода за допустимые пределы, выполнение операций сравнений прекращается.

Центральный процессор обладает возможностью необслуживаемого сохранения данных: при перебоях в питании в микрокарту памяти автоматически записываются состояния флагов, таймеров, счетчиков и содержимое блоков данных. Возможна реализация циклических прерываний, прерываний по дате и времени, по задержке, прерываний от процесса, диагностических прерываний. В своем составе имеет диагностический буфер, который сохраняет 100 последних сообщений об отказах и прерываниях. Содержимое буфера используется для анализа причин, вызвавших остановку центрального процессора. Все диагностические сообщения могут снабжаться отметками даты и времени.

Во всех сигнальных модулях за индикацию группового отказа отвечает красный светодиод SF. Модули ввода дискретных сигналов обладают возможностью настраиваемых диагностических, а также аппаратных прерываний. Имеется возможность считывания диагностических сообщений. Модули ввода аналоговых сигналов обладают настраиваемыми диагностическими прерываниями. Поддерживаются программируемые диагностические функции, возможно осуществление мониторинга граничных значений величин, но настройка производится для двух каналов. Модули вывода аналоговых сигналов также поддерживают программируемые диагностические функции и настройку диагностических прерываний.

Блок питания реагирует автоматическим рестартом на следующие нестандартные условия :

а) перегрузка цепи;

б) короткое замыкание, перегрузка или понижение напряжения на первичной обмотке.

Зеленый светодиод отвечает за индикацию наличия выходного напряжения.



Заключение

Разработка системы управления промышленным объектом на базе микропроцессорного контроллера достаточно трудоемкий процесс и включает в себя множество стадий.

Так как любой технологический процесс представляет собой совокупность определенных операций, то перед началом проектирования системы автоматизации для требуемого технологического процесса мы разбили его на составляющие операции. После того, как все операции были определены, мы изучили оборудование, которое будет участвовать в технологическом процессе. Первой стадией проектирования системы автоматизации являлось определение назначения и характеристик системы управления технологическим процессом, а также изучение требований, предъявляемых к системе управления в процессе её разработки и функционирования.

После проработки начальной стадии проектирования мы приступили к разработке структуры системы управления, а именно была разработана упрощенная структура (рисунок 1), а затем, на её основе, полная структурная схема системы управления (рисунок 2). В связи с относительно низкой степенью сложности решаемых задач было принято решение об использовании контроллера S7-300. Затем из общего количества входных и выходных сигналов мы определили, какие из сигналов являются аналоговыми, а какими дискретными для последующего выбора количества и типа сигнальных модулей. Типы и количество модулей выбирались исходя из количества и типа сигналов, а также требований к диагностическим способностям модулей. Далее, мы рассчитали процентное использование каждого из модулей. После определения необходимого количества, а также типов модулей была рассчитана общая потребляемая мощность, исходя из которой выбирался блок питания. Заключительным этапом конструкторской части было конфигурирование системы с помощью программы Simatic STEP 7.

Внутреннее пространство шкафа, а также его тип выбирался исходя из мощности потерь, которая в среднем составила 10% от потребляемой мощности. После проведения расчетов был выбран шкаф с собственной конвекцией.

В завершении разработки системы управления промышленным объектом на базе микропроцессорного контроллера был проведен анализ методов диагностирования системы управления.



Список использованных источников

1) Конспект.

2) Каталог продукции Simatic S7-300.

3) Каталог Simatic S7-300 «Аппаратура и монтаж».

Размещено на Allbest.ru