Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Рассматривается разработка модульной подсистемы контроля состояния удаленного стендового оборудования. Приводится технико-экономическое обоснование работы, показан порядок и результаты информационного расчета тракта ввода аналоговых сигналов, описан процесс создания проекта в среде InduSoft Web Studio, представлены результаты экспериментальной проверки разработанной подсистемы, сделаны выводы о целесообразности разработки.

Annotation

We consider the development of a modular subsystem status of the remote control stand equipment . We present a feasibility study work shows how information and the results of the calculation of the input analog signal path , describes the process of creating a project in the InduSoft Web Studio, presents the results of experimental verification of the developed subsystem , conclusions about the feasibility of developing.

Введение

Практически на каждом предприятии, выпускающем оригинальную продукцию технического назначения, имеется стендовое оборудование, которое предназначено для испытания изделий [1]. Характер испытаний зависит от конкретного вида изделия. В автомобилестроительной отрасли широко применяются стендовые испытания агрегатов и узлов автомобиля (двигатель, трансмиссия, ходовая часть, коробка переключения передач и т.п.). В авиационной промышленности основными объектами стендовых испытаний являются авиационные двигатели, узлы, агрегаты и элементы конструкций летательных аппаратов. Основными объектами испытаний в энергетической отрасли являются гидроагрегаты, турбоагрегаты, генераторы, подшипники, зубчатые передачи и вспомогательное оборудование. На сегодняшний день стендовые испытания являются неотъемлемой частью любого производства и применяются на всех этапах от разработки до эксплуатации для проведения научно-исследовательского эксперимента, испытания отдельных узлов, приемо-сдаточных, сертификационных, ресурсных и планово-диагностических испытаний [2]. Нередко на солидных предприятиях для организации и проведения испытаний проектируют многофункциональные контрольно-измерительные комплексы, которые включают в себя необходимые наборы оборудования для всех видов исследования изделий. Как правило, стендовое оборудование занимает отдельное помещение. На крупных предприятиях, например авиационной отрасли, под названные цели строятся ангары, выделяются специальные боксы, отводятся целые цеха. Связь с аппаратурой автоматизации стенда осуществляется по различным каналам связи. Пользователи стендового оборудования находятся на некотором расстоянии от него, наблюдая за ходом проведения испытаний с помощью средств операторского интерфейса так называемого человеко-машинного интерфейса (HMI - Human-Maсhine Interface). Для исследователей отводится помещение в непосредственной близости от стенда с тем, чтобы создать благоприятные условия для их деятельности. К результатам исследований обычно организуют доступ для всех групп заинтересованных в них пользователей. При этом широко используют сетевые информационные технологии на базе Ethernet, интерфейса RS-485, беспроводной связи типа Wi-Fi и других.

В сфере промышленной автоматизации подавляющее большинство создаваемых систем базируется на принципах SCADA. SCADA представляет собой систему диспетчерского контроля, основанного на сборе данных [3 - 5]. Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента (рисунок 1) [5].

Первый элемент - Remote Terminal Unit (RTU - удаленный терминал), осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. К RTU относятся аппаратные средства от датчиков, осуществляющих съем измерительной информации от объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Реализация системы определяется областью применения.

Рисунок 1 - Основные структурные компоненты SCADA-системы

Второй элемент - Master Terminal Unit (MTU - диспетчерский пункт управления), осуществляющий обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме «мягкого» реального времени. Одна из основных функций MTU - обеспечение человеко-машинного интерфейса (HMI).

Третий элемент SCADA - это Communication System (CS) - коммуникационная система, необходимая для передачи данных от удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU.

Рассмотренная методология послужила основой для создания прикладного программного обеспечения (ПО), представленного SCADA-пакетами. В них удобно и эффективно создавать проекты, содержащие как тысячи тегов, так и их весьма ограниченное число [4].

В реализуемом проекте создается не сложная по составу оборудования и по числу исследуемых параметров подсистема контроля. Необходимо оценить информативность каналов ввода аналоговых сигналов с заданными частотными свойствами и выбрать модульное оборудование из номенклатуры устройств, выпускаемых фирмой Advantech. Данная фирма производит изделия контрольно-измерительной техники, удовлетворяющие требованиям международных стандартов качества и находящиеся при этом в приемлемой ценовой нише. Для выбранного аппаратного комплекса будет разрабатываться HMI средствами удобного в применении SCADA-пакета InduSoft Web Studio.

стенд адресация канал модуль

1. Технико-экономическое обоснование работы

Стендовые испытания всевозможных изделий являются, как отмечалось выше, составной частью их жизненного цикла. То есть без них не обходятся ни уже промышленно выпускаемые объекты, ни модернизируемые устройства, ни вновь создаваемые машины и механизмы. Уже освоенные изделия могут потребовать дополнительных испытаний с целью выявления у них других полезных качеств, которые могут способствовать расширению рынка сбыта. Испытания, связанные с модернизацией отдельных элементов конструкции, режимов работы и т.п., в стендовом варианте обойдутся гораздо дешевле и потребуют меньшего времени. Но особенно востребованы стендовые испытания в случае освоения образцов новой техники. Ведь широко известно то обстоятельство, что затраты на освоение промышленного выпуска продукции как минимум в десятки раз превышают затраты на ее проектирование и разработку. Именно стендовые испытания образцов новой техники позволяют многократно сократить сроки ее освоения. Безусловно, они не подменяют последующие натурные испытания. Но в ходе стендовых испытаний можно моделировать характер нагрузок на рабочие органы, проводить работы круглосуточно с возможностью как экспресс-анализа, так и последующего детального рассмотрения параметров процессов с целью обнаружения недоработок, просчётов или неоправданно завышенных требований. Следовательно, от того, насколько грамотно спроектирован стенд, во многом будет зависеть качество проводимых на нём испытаний, а, главное, их сроки. Разрабатываемая подсистема должна стать составной частью единого комплекса стендового оборудования, аппаратуры его автоматизации, включая программное обеспечение. Поэтому о целесообразности проектирования подсистемы контроля речь не идет, поскольку она является настоятельной необходимостью. Но при создании подсистемы, безусловно, потребуется профессиональный подход к выбору технических решений в рамках поставленной задачи и грамотное взаимодействие с инструментальными средствами разработки программного приложения. Современные контрольно-измерительные системы строятся по модульному принципу, который предполагает возможность изменения функционального состава модулей, что сулит гибкость в решении возникающих задач. Создание программного приложения в рамках SCADA-пакета, несмотря на относительную простоту подсистемы, следует считать оправданный, поскольку существенно снижает трудозатраты и гарантирует использование отработанных технологий. Таким образом, работа по проектированию модульной подсистемы контроля состояния удаленного стендового оборудования как с технической, так и с экономической точек зрения представляется целесообразной.

2. Информационный расчет подсистемы аналогового ввода

В соответствии с заданием, предстоит контролировать состояние четырёх каналов аналогового ввода, первичные преобразователи двух из которых формируют стандартный сигнал тока в диапазоне от 4 до 20 мА, а двух других каналов - сигнал напряжения в диапазоне от -10 до +10 В. Названные сигналы будут оцифровываться аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) модулей, которые подойдут по частоте дискретизации. Восстановление непрерывных сигналов по отсчётам будет осуществляться интерполирующим устройством, порядок которого предстоит выбрать.

Задана суммарная относительная погрешность преобразования сигналов д = 0.01. Она выражается через её составляющие следующим образом [6]:

(1)

где - погрешность, вносимая АЦП, а - интерполятором.

Известно [7], что в модулях фирмы Advantech используются АЦП, имеющие разрядность не ниже 12. Разрядность АЦП связана с абсолютной погрешностью Д АЦП (шумом квантования) выражением [6]:

(2)

где - диапазон входного сигнала, а N - разрядность АЦП.

С учетом (2) выразим относительную погрешность АЦП:

 (3)

Для 12-разрядного АЦП .

Из формулы (1) следует, что практически вся погрешность тракта преобразования аналоговых сигналов приходится на интерполятор и составляет 0.01. Реализуем выбор интерполятора, исходя из этой погрешности. Интерполяционный метод восстановления широко распространён в информационных системах. Он наиболее приспособлен для обработки сигналов с помощью средств вычислительной техники. В качестве интерполяционного многочлена обычно используют многочлен Лагранжа. Из соображений простоты реализации интерполирующих устройств степень многочлена чаще всего не выше второго порядка. Представим некоторые подробности интерполяционного процесса [6].

Восстановление сигналов с помощью ступенчатой (а) и линейной (б) интерполяции поясняется на рисунке 2.

Рисунок 2 ? Восстановление сигналов с помощью ступенчатой (а) и линейной (б) интерполяции

При ступенчатой интерполяции мгновенные значения U(kT) восстанавливаемого сигнала U(t) сохраняются постоянными на всём интервале дискретизации Т (рисунок 2, а). Линейная интерполяция заключается в соединении мгновенных значений U(kT) отрезками прямых, как это показано на рисунке 2, б. Интерполяционный способ восстановления обладает погрешностью, которую на практике часто выражают через максимальное относительное значение [6]



где - восстановленный интерполяционным способом сигнал (при ступенчатой интерполяции , при линейной ); - диапазон изменения дискретного сигнала U(t).

Известна максимальная частота FМ в спектре входного аналогового сигнала - 1.2 Гц. Рассчитаем для нее требуемую частоту f дискретизации.

Для ступенчатого интерполятора имеем [6]:

f ? 2 FМ/(0.55дИ) = 2*1.2/(0.55*0.01) = 436.4 Гц.

Для линейного интерполятора:

f ? 2 FМ/(1.35) = 17.8 Гц.

Для параболического интерполятора:

f ? 2 FМ/= 11.14 Гц.

Так как в подсистеме будут использоваться 4 канала аналогового ввода, найденную частоту дискретизации необходимо увеличить в 4 раза для каждого из интерполирующих устройств. Таким образом, частота f дискретизации АЦП искомого модуля должна составлять:

1745.6 Гц - для ступенчатого интерполятора;

71.2 Гц - для линейного интерполятора;

44.56 Гц - для параболического интерполятора.

3. Анализ технических средств, разработка структуры подсистемы

По заданию аппаратная часть подсистемы должна быть реализована на модулях фирмы Advantech. Фирма выпускает несколько серий модулей. При выборе будем ориентироваться на найденную в разделе 2 частоту дискретизации, общее число каналов ввода-вывода, на необходимость подключения к сети Ethernet и на показатель цена/качество.

3.1 Варианты структуры подсистемы

Отправной точкой в выборе можно считать частоту дискретизации. Она при любом интерполяторе превышает 50 Гц.

В каталоге фирмы [8] присутствует информация о модулях и устройствах ADAM 4000, 5000 и 6000 серий. Только в серии ADAM-5000 имеются модули, поддерживающие названную частоту дискретизации. Поэтому аналоговый ввод необходимо реализовать на модуле этой серии. Модель ADAM-5017H обладает f = 100 Гц суммарно для 8 дифференциальных каналов, допускающих поканальную настройку на нужный вид входного сигнала (ток или напряжение). Однако данный модуль не является интеллектуальным и может работать только в составе базового блока. Фирма выпускает несколько вариантов базовых блоков с разными сетевыми интерфейсами: RS-485, CAN, Ethernet. Очевидно, в соответствии с заданием целесообразно выбрать блок с интерфейсом Ethernet. Из блоков, рассчитанных на разное количество устанавливаемых в них модулей, выберем блок ADAM-5000L/TCP на 4 слота. Модули с каналами аналогового вывода имеются во всех трёх сериях. Это же относится и к модулям дискретного ввода-вывода. Логично оснастить базовый блок ADAM-5000L/TCP модулями серии ADAM-5000 с недостающими каналами. При этом необходимо учесть, что два канала дискретного ввода должны поддерживать датчик типа "сухой контакт". Не все модули дискретного ввода обеспечивают поддержку такого режима.

В серии ADAM-5000 есть универсальный модуль ADAM-5050 на 16 каналов, каждый из которых можно конфигурировать DIP-переключателем на его плате на ввод или вывод, причём каналы дискретного ввода допускают режим "сухой контакт". Аналоговый вывод обеспечит 4-канальный модуль ADAM-5024. В результате структура подсистемы варианта 1 будет выглядеть так, как показано на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Вариант 1 структуры подсистемы

Оценим стоимость аппаратуры [8] без хоста, т.к. он присутствует в любом варианте подсистемы: 360.62 (ADAM-5000L/TCP) + 236.41 (ADAM-5017H) + 229.97 (ADAM-5024) + 80.14 (ADAM-5050) = 907.14 $

Рассмотрим другие возможные варианты структуры.

Вариант 2 предполагает сочетание модулей серий ADAM-5000 и ADAM-6000. К сожалению, не обойтись без базового блока и модуля ADAM-5017H в нём. Но хуже всего то, что в серии нет модуля аналогового вывода. Его реализует многофункциональный, а потому дорогой (дороже базового блока), модуль ADAM-6024 (483.49 $), имеющий 2 канала аналогового вывода (AO), 6 каналов аналогового ввода (AI) с частотой дискретизации не выше 10 Гц и по 2 канала дискретного ввода (DI) и вывода (DO). Недостающие каналы DI и DO реализуют каналы модуля ADAM-6050 (193.19 $). Ещё потребуется свитч ADAM-6520 (127.49 $). Не трудно заметить, что вариант 2 обойдётся дороже 1000 $ (587.03 + 483.49 + 193.19 = 1263.71 $).

Вариант 3 сочетает базовый блок с модулем ADAM-5017H с интеллектуальными модулями серии ADAM-4000. Среди них необходимо выбрать модули, в которых поддерживается протокол Modbus, т.к. базовый блок поддерживает протокол Modbus/TCP: ADAM-4024 (240.21 $) - 4-канальный модуль AO, ADAM-4055 (наиболее дешёвый и подходящий по условиям задания с ценой на момент проектирования в 122.67 $), имеющий по 8 каналов дискретного ввода и вывода. Так как базовый блок выполняет роль шлюза для устройств, объединённых в сеть на основе интерфейса RS-485, то модули ADAM-4024 и ADAM-4055 могут быть подключены по линиям Data+ и Data- непосредственно к блоку. Затраты на приобретение оборудования в этом варианте составят: 587.03 + 240.21 + 122.67 = 949.91 $. Этот показатель для варианта 1 меньше. К тому же подсистема по первому варианту будет состоять из однородных модулей, что положительно скажется на процессе разработки программного приложения.

Таким образом, в качестве аппаратных средств реализации подсистемы выбираем базовый блок ADAM-5000L/TCP, в слоты которого будут установлены модули ADAM-5017H, ADAM-5024 и ADAM-5050. Представим основные технические характеристики этих устройств.

3.2 Технические характеристики устройств подсистемы

Базовый блок ADAM-5000L/TCP.

ADAM-5000L/TCP разработан с высокими аппаратными возможностями ввода-вывода и поддерживает все типы модулей серии ADAM-5000. Имея 4 слота для любых комбинаций модулей, базовый блок может обработать до 64 точек ввода-вывода. В отличие от других базовых блоков, ADAM-5000L/TCP имеет более интеллектуальные возможности диагностики. Система имеет восемь индикаторов на передней стенке процессорного модуля. Пользователи могут отчетливо читать состояние системы, включая питание, CPU, Ethernet соединение, активность связи, уровень передачи, и т.д.

ADAM-5000L/TCP предоставляет большому числу управляющих компьютеров верхнего уровня системы прямой доступ к данным о состоянии контролируемого объекта с помощью OPC-сервера или элементов управления ActiveX. При этом устройство использует популярный сетевой протокол для промышленных сетей на базе технологии Ethernet ModBus/TCP. Использование этого протокола позволяет легко интегрировать его со SCADA-системами или другими пользовательскими приложениями, которые поддерживают протокол ModBus.

Технические характеристики блока ADAM-5000L/TCP приведены в таблице 1, а его структура представлена на рисунке 4.

Таблица 1 - Возможности базового блока ADAM-5000L/TCP

Процессор	32-bit RISC-процессор Strong ARM фирмы Intel
ОЗУ	4 MB
Флэш-ПЗУ	512 KB
Операционная система	реального времени типа MS DOS
Число модулей	4
Питание нестабилизированным постоянным напряжением	от 10 до 30 В
Диапазон рабочих температур	от -10° до +70° C
Максимальная длина линии связи	100 м без повторителя
Сетевые протоколы	Modbus/TCP, TCP, UDP, IP, ARP
Количество узлов сети	до 32
Потребляемая мощность	5 Вт
Сторожевой таймер	встроенный
Таймер реального времени	встроенный

Сторожевой таймер, входящий в состав аппаратуры базового блока, является неотъемлемым атрибутом устройств, работающих в режиме реального времени. С его помощью контролируется длительность цикла процессора. Если она превышает известную величину, значение которой устанавливается изготовителем, то сторожевой таймер производит холодный рестарт всей системы за время порядка нескольких миллисекунд.

Внешний вид базового блока представлен на рисунке 5.



Рисунок 4 - Структура базового блока ADAM-5000L/TCP

Модули, устанавливаемые в базовый блок, не являются интеллектуальными и функционируют под управлением CPU базового блока, который выполняет инструкции программы, запущенной на хосте.

Модуль аналогового ввода ADAM-5017H.

Для реализации аналогового ввода 2 входных сигналов по напряжению и 2 сигналов по току использован модуль ADAM-5017H, так как данный модуль позволяет выбирать режим работы для каждого канала индивидуально и обеспечивает требуемую частоту дискретизации 71.2 Гц.

Приведём другие важные технические характеристики модуля:

– Эффективное разрешение: 12 разрядов + знак

– Диапазоны входного сигнала: ±250, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В, 0…250, 0…500 мВ, 0…1, 0…5, 0…10 В, 0…20, 4…20 мА

– Напряжение изоляции: 3000 В пост. тока

– Частота выборки: 100 Гц (групповая)

– Входное сопротивление 20 МОм

– Потребляемая мощность: 1.2 Вт

Модуль аналогового вывода ADAM-5024.

Модуль ADAM-5024 представляет собой 4-канальное устройство аналогового вывода, обеспечивающий цифро-аналоговое преобразование кодовых значений, выраженных в формате инженерных единиц, в аналоговые выходные сигналы.

Используя сервисное программное обеспечение, пользователь может задать скорость нарастания выходного сигнала, установить его начальное значение и тип (ток или напряжение).

Наличие в модуле оптоизоляции выходных аналоговых цепей от системной магистрали с напряжением изоляции 3000 В постоянного тока и трансформаторной развязки преобразователя напряжения базового блока с напряжением изоляции 500 В постоянного тока устраняет гальваническую связь с электрооборудованием контролируемого объекта, а также защищает микроконтроллер от повреждения случайными выбросами напряжения в цепях питания.

Технические характеристики модуля ADAM-5024:

– Эффективное разрешение: 12 разрядов

– Выходной диапазон: 0…20, 4…20 мА, 0…10 В

– Программируемая скорость нарастания выходного сигнала: 0.125...128 мА/с, 0.625...64 В/с

– Сопротивление нагрузки в режиме формирования тока 0...500 Ом

– Максимальная потребляемая мощность 2.5 Вт

Модуль дискретного ввода/вывода ADAM-5050

Модуль ADAM-5050 - модуль дискретного ввода/вывода, имеющий 16 универсальных каналов, режим работы которых устанавливается поразрядно с помощью DIP-переключателей, которые хорошо видны на рисунке 8, представляющем внешний вид модуля.

Технические характеристики модуля ADAM-5050:

– Дискретный ввод: при контроле цепей типа «сухой контакт» уровень логического 0 - вход, замкнутый на землю (GND); уровень логической 1 - вход, разомкнутый относительно земли

– Уровень логического 0 для дискретных входов не более 2 В

– Уровень логической 1 для дискретных входов от 4 до 30 В

– Дискретный вывод: открытый коллектор 30 В/ 0.1 А

– Потребляемая мощность 0.35 Вт (максимальная - 1.2 Вт)

DIP-переключателя модуля, соответствующие каналам Ch9 - Ch11, установим в состояние ON и тем самым назначим указанным каналам режим дискретного вывода, а три DIP -переключателя, соответствующие каналам Ch5 - Ch7 установим в состояние OFF, что будет соответствовать режиму работы каналов дискретного ввода.

Окончательная структура подсистемы с распределением входных и выходных сигналов по каналам модулей представлена на рисунке 9.

Выбор слотов под размещения того или иного модуля в них на этапе проектирования не имеет принципиального значения. При организации физических линий связи с реальным оборудованием (датчики, сигнальные фонари, исполнительные механизмы и т.п.) возможно потребуется выполнить перестановку модулей так, чтобы реальные связи через контактные колодки модулей были расположены наиболее удобно и не мешали техническому обслуживанию подсистемы.

Рисунок 5 - Структура подсистемы с распределением каналов

3.3 Конфигурирование разработанной подсистемы

Конфигурирование и выполнение необходимых настроек модульной подсистемы производятся с помощью утилиты ADAM-5000TCP/6000 Utility, которая является сервисным программным обеспечением, поставляемым вместе с аппаратными средствами [9]. Подобное сервисное программное обеспечения для других аппаратно-программных комплексов часто называют программой-конфигуратором. После запуска утилиты появляется окно операций, в котором отображаются результаты автоматического поиска и идентификации устройств системы автоматизации, подключенных к хосту.

Рисунок 6 - Окно утилиты с обнаруженными устройствами

Секция Tool содержит следующие функции:

1) Add Remote Ethernet Device - добавляет новый модуль ADAM-6000 или базовый блок ADAM-5000/TCP и делает его доступным в локальной сети или сети Интернет.

2) Search for Ethernet Device - осуществляет поиск всех модулей ADAM-6000 и ADAM-5000/ TCP в сети Ethernet.

3) Refresh a Ethernet Device - проводит обновление определенных модулей ADAM-6000 или ADAM-5000/TCP.

4) Terminal - выводит в окне операций терминал для выполнения команд настройки, опроса, калибровки модулей.

Секция Setup содержит функции установки Timeout (время ожидания) и Scan Rate (частота сканирования).

Секция Help содержит интерактивную функцию справки DLL API Help, Demo program listing - список демонстрационных программ, Advantech Home Page - подключение к сайту фирмы Advantech.

Конфигурирование модуля аналогового ввода.

В модуле ADAM-5017H производим следующие настройки (рисунок 11). Для вкладках каналов Ch0 и Ch1 на панелях Configuration Setting в списках Input Range выбираем диапазон входного сигнала по току 0 to 20 mA и производим Update. Соответственно для каналов Ch2 и Ch3 выбираем диапазон входного сигнала по напряжению 0 to 10 V. На панели Channel Enable/Disable отключаем каналы Ch4 - Ch7 и делаем Update.

Чтобы выбранные каналы обеспечивали в процессе работы заявленную в документации погрешность измерения, необходимо регулярно проводить их калибровку. Для модуля предусмотрены два вида калибровки: нуля (кнопка Zero Calib.) и наибольшего значения в диапазоне (Span Calib.). При выполнении калибровки нуля необходимо на все входы подать нулевые значения входного сигнала, при другом виде калибровки - подать максимальное значение от эталонных источников.

Рисунок 7 - Каналы модуля ADAM-5017H

Конфигурирование модуля аналогового вывода.

Для модуля ADAM-5024 необходимо настроить два канала аналогового вывода Ch0 и Ch1 на режим работы по напряжению 0 to 10 V. Это делается на вкладках каналов (рисунок 8) аналогично тому, как выполнялось конфигурирования для модуля аналогового ввода. Каждый канал калибруется в соответствии с диапазоном для нуля (0 В) и для наибольшего значения. При необходимости проверки соответствия отображаемых на зелёном фоне моделируемых значений истинным на выходе каналов производят подключение к ним соответствующих измерительных приборов и с помощью инструментов панели Data Output формируют требуемые значения (на зеленом фоне) и проверяют приборами значения на выходе физических каналов модуля.



Рисунок 8 - Конфигурация модуля ADAM-5024

Конфигурирование модуля дискретного ввода/вывода

Рисунок 9 - Настройка каналов модуля ADAM-5050

Модуль дискретного ввода/вывода ADAM-5050 содержит шестнадцать цифровых каналов ввода/вывода.

Каждый канал может быть независимо сконфигурирован для входа или выхода с помощью DIP-переключателей, как это было описано в п. 3.2. Результаты примера конфигурирования показаны на рисунке 13. Каналы Ch 05 - Ch 07 устанавливаем в режим DI. Каналы Ch9 - Ch11 - в режим DO.

3.4 Адресация каналов модулей

Каждый модуль базового блока ADAM-5000/TCP имеет определенный диапазон адресов. Для назначения адресов при выполнении каких-либо операций необходимо воспользоваться таблицами, представленными ниже на рисунке 14 (на рисунке показана адресация каналов для 8-слотового базового блока ADAM-5000/TCP, для блока ADAM-5000L/TCP количество слотов и каналов в два раза меньше, а в остальном схема адресации в пределах первых четырёх слотов сохраняется неизменной).

В разработанной подсистеме к базовому блоку подключено 3 модуля. Каждый из них будет иметь свой диапазон адресов.

Для модуля аналогового ввода ADAM-5017H, который находится в слоте 1 базового блока, определен диапазон адресов [40009-40016]. Задействованы 2 адреса - 9 и 10 - для ввода сигналов по току и 2 адреса - 11 и 12 - для ввода сигналов по напряжению.

Для каналов модуля аналогового вывода ADAM-5024, размещенного в слоте 2, определен диапазон адресов [40017-40024]. В этом слоте заняты адреса 40017 и 40018 для вывода аналоговых сигналов напряжения.

Модуль дискретного ввода/вывода ADAM-5050 установлен в слот 0 базового блока. Его каналам соответствует диапазон адресов [00001-00016]. Задействованы адреса 00006 - 00008 для дискретного ввода сигналов, в том числе два последних адреса - для каналов типа «сухой контакт» и адреса 00010 - 00012 будут использоваться для каналов дискретного вывода.

Рисунок 10 - Таблицы диапазонов адресов модулей

4. Разработка HMI приложения

4.1 Описание среды InduSoft Web Studio

При разработке используется версией 6.1 среды. Среда проектирования состоит из следующих основных областей [10]:

Workspace (Окно рабочей области проекта) - содержит четыре вкладки, компоненты на каждой из которых размещены в виде дерева:

- Database (База данных) - содержит доступные пользователю теги Advantech Studio;

- Graphics (Графика) - содержит готовые экраны и библиотеку объектов;

- Tasks (Задачи) - позволяет создавать файлы тревог, трендов и др.;

- Соmm (Связь) - позволяет подключать драйверы связи и устанавливать связь тегов с оборудованием.

Database Spy (Окно контроля базы данных) - предоставляет средства отладки, которые можно использовать для контроля, вызова тегов и выполнения функций.

Output (Окно вывода) - предназначено для вывода ответов системы на совершаемые разработчиком действия.

Инструменты создания экрана - содержит инструментальные средства для конструирования внешнего облика экрана.

Рабочий лист компонентов проекта - центральная область окна, в которой отображаются те рабочие листы проекта, с которыми производятся действия на разных вкладках Workspace.

Остальные области окна среды являются традиционными для приложений Windows.

Среда имеет обширную библиотеку, объекты которой можно использовать при разработке приложения, также можно создавать свои объекты.

4.2 Разработка приложения

Целью разработки приложения является создание комфортной среды для оператора подсистемы контроля стендового оборудования.

Для создания проекта выполняют команду меню File/New. В открывшемся окне на вкладке Project (рисунок 11) вводят имя создаваемого проекта. Платформу реализации проекта (Target platform) можно не выбирать (останется действующая по умолчанию WebOIT for WinCE). После нажатия Ok появится окно диалога Project Wizard (рисунок 12), в котором в списке Template выбирают Empty Application и задают разрешение (Resolution) экрана.

Рисунок 11 - Окно создания проекта

Рисунок 12 - Задание разрешения экрана

Далее реализуем экранные формы проекта (screen). Целесообразно построить главную форму проекта в стиле главного меню (рисунок 13). Главное меню содержит пункты, каждый из которых открывает экран, отражающий решение соответствующей функциональной задачи подсистемы. Новый экран создается с помощью контекстного меню, вызываемого щелчком правой клавишей мыши по папке Screens, находящейся на вкладке Graphics области Workspace, и выполнения команды Insert. Заполнив нужные позиции в окне диалога, нажимаем Ok. Затем размещаем на экранной форме необходимые элементы, выбрав их из инструментов среды.

Рисунок 13 - Главная форма приложения

Каждый из пунктов меню необходимо связать с соответствующей командой. Для этого выделяют инструмент Command и производят двойной щелчок по пункту меню, наделяя его тем самым одноимённым свойством (рисунок 14). Для пункта "Выход" в колонке Expression в окне его свойств прописываем команду ShutDown(), взятую из команд встроенного языка пакета, которая закрывает работающее приложение.

Рисунок 14 - Окно свойств пункта "ВЫХОД" главного меню

4.2.1 Экран тестового сигнала

Аналогично созданию главной формы, создадим экран для представления тестового сигнала. По заданию он должен иметь изменяемую амплитуду и частоту. Поэтому на форме необходимо разместить два ползунка с возможностью изменения значений названных параметров сигнала, а также виртуальный измерительный прибор и тренд для более наглядного представления о характере изменения сигнала (рисунок 15).



Рисунок 15 - Экран тестового сигнала

Модель сигнала создаем на вкладке задач Tasks. После щелчка правой кнопкой мыши по папке Math выполняем команду Insert. В результате открывается лист для моделирования некоторого процесса (рисунок 16). В строке Description вводят его описание. В строке Execution - целое не равное нулю число. В нижней части листа описывают сам процесс, описывая необходимые теги. В описании сигнала участвуют теги A и F. Их объявляют, как показано на рисунке 17 (показан тег A, тег F создают аналогично).

Рисунок 16 - Описание модели сигнала

Рисунок 17 - Описание тега амплитуды A

Тег AO1 служит для обозначения выходного сигнала первого канала модуля ADAM-5024. Его описание представлено на рисунке 18.



Рисунок 18 - Описание тега AO1

Для того чтобы измерительный прибор на экране отображал значение некоторого тега, необходимо вызвать окно свойств виртуального прибора (рисунок 19), в нем раскрыть список свойств и щелкнуть по свойству Dynamic Rotation. После этого в строку Tag/Expression вносят имя тега, значение которого будет отображать прибор. В окне задают также минимальное и максимальное значения тега и углы отклонения стрелки прибора от среднего положения в градусах.

Рисунок 19 - Окно свойств объекта измерительный прибор

Рядом с виртуальным прибором размещаем объект Тренд для более наглядного представления формируемого сигнала в графическом виде. Для отображения сигнала на тренде в реальном времени необходимо произвести настройки тренда. В окне свойств тренда (рисунок 20) нужно выбрать тип кривой X/t, установить переключатель On Line/History в положение On Line (режим реального времени), необходимо указать Trigger - second. Также следует задать параметры горизонтальной и вертикальной осей. Тренд должен отображать сигнал AO1, для этого необходимо нажать на кнопку Pens и в появившемся окне (рисунок 21) указать тег AO1, пределы наблюдения процесса (параметры Min и Max) и выбрать цвет и толщину линии.



Рисунок 20 - Окно свойств тренда

Рисунок 21 - Окно диалога описания пера

Настройки для горизонтальной шкалы представлены на рисунке 22.

Рисунок 22 - Окно настроек горизонтальной шкалы тренда

Настройки для вертикальной шкалы представлены на рисунке 23.

Рисунок 23 - Окно настроек вертикальной шкалы тренда

Для того чтобы на приборе и на тренде отображались реальные физические сигналы, следует связать созданный тег с одним из каналов аппаратного модуля. Работу модулей поддерживают соответствующие драйверы. Драйвер устанавливается при инсталляции среды SCADA-пакета. Для подключения установленного драйвера к аппаратным средствам приложения открывают на рабочей области вкладку Comm и выполняют команду Insert/Driver. В окне диалога Communication Drivers выбирают нужный драйвер, выделив его в списке и нажав кнопку Select (рисунок 24).

Рисунок 24 - Подключение драйвера связи

В результате имя драйвера и его описание появятся в нижней части окна. После щелчка по кнопке Ok драйвер подключается к проекту и для него автоматически создается главный лист драйвера - MAIN DRIVER SHEET. Затем открывают его и выполняют соответствующие настройки (рисунок 29). Заносят имена тегов и против каждого задают: в колонке Station - IP-адрес модуля или блока, в столбце I/O Address - адрес канала, с которым будет связан тег, в Action - действие (Read/Write) для него, в Scan - сканирование производить только при работающем экране или всегда (Screen/ Always), в Div - константу деления, когда требуется настройка масштаба (флажок для Min и Max не установлен, при этом внесенное значение будет коэффициентом деления в операции чтения и коэффициентом умножения в операции записи), в Add - константу добавления, когда требуется настройка масштаба (флажок для Min и Max не установлен, это значение будет коэффициентом добавления в операции чтения и коэффициентом вычитания в операции записи). Если же указанный флажок установлен, то две последние колонки получают имена Max и Min.

В работе параметры тега AO1 связаны с первым каналом модуля аналогового вывода ADAM-5024. Значение Div = 409.50000 найдено, исходя их разрядности цифро-аналогового преобразователя канала (ЦАП) - 12 бит. Т.к. 212 = 4096 значений, включая 0, а диапазон выходных сигналов ЦАП - от 0 до 10 В, то для вещественных аналоговых сигналов будет именно такой коэффициент деления Div.

Для операции чтения значения, полученные от оборудования, преобразуются в значение тега по формуле [9]:

<tag> = <value in the equipment> / Div + Add.

Для операции записи формула преобразования имеет следующий вид:

<value in the equipment> = (<tag> - Add) * Div.

Соответственно в главном листе драйвера связи против тега AO1 в колонке Station записываем IP-адрес базового блока, в которой установлены модули, номер порта по умолчанию (502) для протокола Modbus и номер узла в сети (1) для базового блока. В колонку I/O Address заносим номер канала модуля.

4.2.2 Экран аналогового ввода

В соответствии с заданием размещаем на экране 4 виртуальных прибора (рисунок 25), каждый из которых будет отображать состояние соответствующего канала модуля ADAM-5017H. Аналогично тому как было сделано для виртуального прибора на форме тестового сигнала, настраиваем свойства тегов AI1 - AI4. В драйвере связи добавляем соответствующие строчки для связи с реальным оборудованием подсистемы (рисунок 26).



Рисунок 25 - Главный лист драйвера

Рисунок 26 - Экран каналов аналогового ввода

4.2.3 Экран аналогового вывода

На данном экране (рисунок 27) отображается состояние двух каналов модуля ADAM-5024. За процесс отображения отвечают теги AO1 и AO2. Процесс настройки свойств виртуальных приборов и значений параметров драйвера связи аналогичен тому, который был представлен для экрана аналогового ввода. Исключение составляет значение в колонке Action, где необходимо выбрать действие Write.

Рисунок 27 - Экран аналогового вывода

4.2.4 Экран контроля аналогового ввода

Данный экран предполагает, что выходной аналоговый сигнал с одного из каналов модуля ADAM-5024 подается на вход одного из каналов аналогового ввода модуля ADAM-5017H (рисунок 28). В качестве выходного аналогового сигнала используется тестовый сигнал. Следовательно, на втором (правом) виртуальном приборе при нормальном функционировании модуля аналогового ввода будет отображаться с определенной задержкой во времени исходный тестовый сигнал. Тем самым экран позволит оператору стенда убедиться в правильной работоспособности соответствующего канала модуля ADAM-5017H.

Рисунок 28 - Экран взаимодействия модулей

4.2.5 Экран состояния дискретных каналов

По заданию необходимо осуществить контроль за состоянием трех каналов дискретного ввода и трех каналов дискретного вывода. Для этого разместим на форме индикаторы для каналов ввода и органы управления для каналов вывода (рисунок 29). Имена тегов совпадают с надписями над объектами индикации и управления. Осуществим настройку свойств названных компонентов (рисунок 30 - для дискретного ввода, рисунок 36 - для вывода).



Рисунок 29 - Экран состояния дискретных каналов

Рисунок 30 - Свойства тега дискретного ввода

Рисунок 31 - Свойства тега дискретного вывода

4.2.6 Экран состояния тревог

Работая с оборудованием стенда, оператор с особым вниманием должен относиться к чрезвычайным ситуациям, возникающим в процессе его эксплуатации. С этой целью был создан специальный экран, призванный привлечь внимание оператора к ситуациям, когда важный параметр выходит за верхнюю (нижнюю) границу допустимых его значений. Экран показан на рисунке 32 и отображает возникновение названного ухода параметра за допустимые пределы. Отображение осуществляется с помощью специального объекта типа Alarm.

Рисунок 32 - Экран тревог

4.2.7 Экран архивных данных

В случае возникновения конфликтных ситуаций в работе стенда требуется установить причину произошедшего. С этой целью используют анализ сохраняемых на диске данных по всем каналам подсистемы. На экране (рисунок 33) имеется возможность ввода исходных данных для просмотра: даты и времени. Объект Тренд аналогичен тому, который был вставлен на экран тестового сигнала, с той разницей, что тренд будет историческим, а не реального времени. В его построении есть свои особенности. Покажем их.

Рисунок 33 - Экран архивных данных

Для построения тренда исторических данных сначала создадим группу тегов, участвующих в его работе. С этой целью вставим новый класс CTrend на вкладке Database после щелчка правой кнопки мыши по папке Classes. Далее заполним таблицу тегов класса с указанием имен тегов, их типа и описаний (рисунок 34).

Рисунок 34 - Таблица тегов класса «CTrend»

После этого вставим командой Insert Tag… относящийся к созданному классу новый тег приложения Trend, выполним команду File/New… и в окне диалога выберем Trend Worksheet. Затем в появляющемся окне необходимо ввести описание тренда в поле Description, не делаем запрещающих действий в строке Disable. Открыв окно дополнительных настроек тренда кликнув по кнопке Advanced задаём в строке Histiory Life Time время жизни данных на диске в каталоге HST проекта - 100 дней.

Далее нужно установить флажок Save On Trigger и занести в позицию напротив него имя триггера - Trend.Update. В строку таблицы тегов заносим имя тега, подлежащего временному контролю, например AI1 (рисунок 35).

Рисунок 35 - Окно «Trend Worksheet»

В окне диалога Screen Math укажем имена тегов, активируемых вместе с открытием экрана trend_h (рисунок 36).

Рисунок 36 - Окно диалога «Screen Math»

Настройки горизонтальной шкалы, вертикальной шкалы и пера производим аналогично тому, как это было сделано при создании тренда реального времени.

Для задания даты и времени старта тренда исторических данных на экране под соответствующими надписями располагают текстовые компоненты со свойствами динамического текста - Text I/O. Ниже показано окно свойств тега Trend.StartDate времени старта (рисунок 41). В нем необходимо задать в поле Tag/Expression имя тега Trend.StartTime и установить флажок Input Enabled, разрешающий вводить нужное время после запуска приложения. Аналогично поступают с датой старта (имя тега Trend.StartDate). При вводе названных величин соблюдают их формат представления в среде и разделители. Для времени - <часы>:<минуты>:<секунды>, например 22:15:00. Для даты - <месяц>/<день>/<год>, например 05/25/2016.



Рисунок 37 - Окно настройки тега времени старта исторического тренда

5. Экспериментальная проверка подсистемы в составе стенда

Для проверки правильности функционирования разработанной подсистемы соберем ее на стенде.

Запускаем в среде InduSoft Web Studio созданное приложение. В результате на экране монитора появляется окно с главным меню приложения (рисунок 38).

Рисунок 3.8 - Экран главного меню

Произведем просмотр сформированного тестового сигнала, выполнив пункт меню «Тестовый сигнал» и установив в соответствующих позициях ввода нужные значения амплитуды и частоты (рисунок 39).

Рисунок 39 - Экран тестового сигнала

С помощью пункта меню «Аналоговый ввод» вызываем экран, показывающий состояние четырех каналов аналогового ввода (рисунок 40).



Рисунок 40 - Экран состояния каналов аналогового ввода

Для проверки состояния каналов аналогового вывода выполним пункт меню «Аналоговый вывод». В результате будет отображаться состояние двух каналов модуля ADAM-5024, как показано на рисунке 41.

Рисунок 41 - Экран каналов аналогового вывода

Для проверки работоспособности каналов дискретного ввода/вывода выполняем пункт меню «Дискретные каналы». Результат взаимодействия с ними представлен на рисунке 42.

Рисунок 42 - Экран дискретных каналов и их состояние на стенде

Для организации взаимодействия тестового сигнала с одним из каналов аналогового ввода выполним пункт меню «Взаимодействие каналов». Перед этим необходимо выполнить физическое соединение на стенде выхода одного из каналов модуля ADAM-5024 со входом одного из каналов модуля ADAM-5017H. Для примера соединим второй канал модуля ADAM-5024 с третьим каналом модуля ADAM-5017H. Результат взаимодействия показан на рисунке 43.

Рисунок 43 - Экран взаимодействия модулей

Из рисунка 43 видно, что процесс в модуле ADAM-5017H незначительно отстает по времени от исходного процесса, формируемого в модуле ADAM-5024, что объясняется инерционностью используемого оборудования.

Проверим работу экрана, отображающего значения исторических данных. Его вид представлен на рисунке 44. В соответствующей позицией ввода необходимо ввести дату и время контролируемого события.

Рисунок 44 - Экран исторических данных

В заключение приведем пример работы «Экрана тревог» (рисунок 45). Для примера были заданы верхний и нижний уровни тревог, равные соответственно 0.9 и 0.1 от предельно допустимого значения в канале.



Рисунок 45. - Функционирование экрана тревог

Заключение

В соответствии с заданием был осуществлен анализ поставленных задач, произведен информационный расчет каналов ввода аналоговых сигналов. По его результатам был выполнен анализ аппаратных средств фирмы Advantech, сделан выбор варианта структуры модульной подсистемы контроля состояния удаленного стендового оборудования на основе базового блока ADAM-5000L/TCP и модулей серии ADAM-5000. Для отображения состояния каналов подсистемы было разработано программное приложение в среде SCADA-пакета InduSoft Web Studio. Оно предоставило оператору стенда наглядный человеко-машинный интерфейс, позволяющий осуществлять эффективный контроль оборудования. Экспериментальная проверка подсистемы, смоделированной на стенде учебной лаборатории, подтвердила обоснованность принятых аппаратных и программных решений

Список используемых источников

1. ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения.

2. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009. - 608 с.

3. Андрей Кузнецов. SCADA системы: программистом можешь ты не быть... СТА. - 1996, №1.

4. Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA-системы)// Мир компьютерной автоматизации. - 1999, № 3.

5. Карасев В.В., Михеев А.А., Нечаев Г.И. Измерительные системы для вращающихся узлов и механизмов. - М.: Энергоатомиздат, 1996. 176 с.

6. Карасев В.В. Аппаратно-программные комплексы: учеб. пособие. - Рязань: РГРТУ, 2012. - 80 с.

Размещено на Allbest.ur