Разработка автоматизированной системы дистанционного управления прогревом двигателя автомобиля с использованием парковочного места

Рисунок 15 - iButton с энергонезависимыми таймером и статической памятью

Эта группа представлена одним семейством DS1994L. Микросхема его содержит обычную ПЗУ с идентификационным номером, кодом семейства и кодом контроля, статическую память 16 страниц по 32 байта каждая, кварцевый генератор часовой частоты 32768 Гц, таймер-календарь в двоичном формате, программируемые счетчики циклов включения-выключения, интервальный таймер.

Статическая память и все элементы таймера энергонезависимы за счет литиевой батарейки. Режимы работы таймерной части DS1994 определяют два его регистра: регистр статуса и регистр управления. В регистр статуса помещают свои флаги по наступлению заданного события таймер-календарь, интервальный таймер и счетчик циклов. Состояния флагов доступны для считывающего прибора и могут быть использованы им для принятия решения. Календарь таймера организован так, что необходима предварительная установка даты и времени отсчета. Исход времени будет затем отсчитываться от этой даты. Емкость по времени календаря 136 лет.

Состояние регистра управления определяет доступность ресурсов как таймера, так и страниц энергонезависимой памяти. Установки его битов останавливают генератор, запрещают изменения установок календаря, интервального таймера, счетчика циклов, чтение общей энергонезависимой памяти.

DS1994 удобно использовать для ограничения срока работы приборов или устройств. В этом варианте он устанавливается в специальном зажиме, по аналогии с дисковыми аккумуляторами, и имеет постоянное соединение со схемой устройства.

Система команд DS1994 содержит как типичные для iButton команды ПЗУ так и команды работы с таймерами и счетчиком.

Для нашей системы подойдет простой ключ без памяти, т.к. перед нами стоит задача только идентификации пользователя. Поэтому остановим выбор на iButton DS-1990 (Рисунок 16). Он представляет собой наиболее простой прибор - электронный идентификатор без памяти, который содержит только идентификационный номер. Так же в нашем случае он обладает преимуществом в силу невысокой стоимости, надёжности, простоты считывающих устройств (Считыватель подбирается в соответствии с выбранным идентификатором).

Рисунок 16 - Идентификатор iButton DS1990A-F5

Отличительные особенности iButton DS-1990:

· Уникальный 48-битный номер;

· Дешёвый электронный ключ для систем контроля доступа;

· 8 бит CRC для контроля данных;

· Считывание менее чем за 5 мс;

· Рабочий температурный диапазон от -40°C до +85°C;

· Стандартные функции iButton DS-1990;

· Уникальный, нанесённый лазером и контролируемый, 64-х разрядный регистрационный номер (8 бит - код семейства (для DS-1990=01), 48 бит - серийный номер + 8 бит CRC - проверка), гарантия отслеживаемости и идентификации, т.к. не существует двух идентичных изделий;

· Мгновенная цифровая идентификация и передача информации при контакте;

· Твердотельный носитель данных обеспечивает компактность хранения информации;

· Доступ к данным осуществляется при контакте с объектом;

· Экономичное подключение к управляющему устройству по однопроводной цифровой шине со скоростью 16.3 Кбит/сек;

· Стандартный 16 мм диаметр корпуса и протокол 1-Wire, обеспечивающие совместимость с устройствами семейства iButton;

· Цилиндрическая форма (в виде пуговицы) обеспечивает автоматическое выравнивание в контактном разъёме чашевидной формы;

· Прочный корпус из нержавеющей стали с выгравированным регистрационным номером противостоит агрессивным внешним воздействиям;

· Легко прикрепляется на самоклеющуюся поверхность с защёлкой на фланце, или закрепляется в кольцо, напрессовываемое на торец;

· Детектор присутствия определяет первую подачу напряжения считывающим устройством;

2.3.2 Считыватель

Cчитыватели представляют собой контактные устройства, предназначенные для считывания / записи информации при прикосновении к ним электронного идентификатора ("таблетки") iButton [14].

Считыватель имеет удобный пластмассовый корпус и снабжен клеящейся подложкой, что позволяет прикрепить его к любой поверхности.

Для удержания "таблетки" при длительной работе считыватели могут иметь специальный фиксатор.

Для подключения к компьютеру или к другому оборудованию считыватели могут иметь различные варианты адаптеров:

· с адаптером для порта RS-232;

· для USB-порта;

· без адаптера с разъемом RJ-11;

· без адаптера.

Рисунок 17 - Считыватель для идентификатора iButton

2.3.3 Контроллер

Для реализации системы было рассмотрено три варианта - регулятор ОВЕН ТРМ 1, контроллер ОВЕН ПЛК 150 и контроллер ОВЕН ПЛК304.

Измеритель регулятор одноканальный ТРМ 1 (Рисунок 18) предназначен для измерения, регистрации или регулирования температуры теплоносителей и различных сред в холодильной технике, сушильных шкафах, печах различного назначения и другом технологическом оборудовании, а также для измерения других физических параметров (веса, давления, влажности и т.п.) [17].

Основные функции измерителя-регулятора овен ТРМ 1

· Универсальный вход для подключения широкого спектра датчиков температуры, давления, влажности, расхода, уровня;

· Регулирование входной величины: двухпозиционное регулирование; аналоговое п-регулирование;

· Цифровая фильтрация и коррекция входного сигнала, масштабирование шкалы для аналогового входа;

· Вычисление и индикация квадратного корня из измеряемой величины (например, для регулирования мгновенного расхода);

· Выходной сигнал тока 4-20 ма для регистрации измеренной величины;

· Возможность управления трехфазной нагрузкой;

· Импульсный источник питания 90-245 в 47-63 Гц;

· Встроенный источник питания 24В для активных датчиков, выходных аналоговых устройств (ЦАП) и др.;

· Программирование кнопками на лицевой панели прибора;

· Сохранение настроек при отключении питания;

· Защита настроек от несанкционированных изменений;

Рисунок 18 - ТРМ 1

К ТРМ 1 невозможно подключить GSM-модуль, поэтому был рассмотрен контроллер ОВЕН ПЛК 150 (Рисунок 19).

Контроллер ОВЕН ПЛК 150 предназначен для создания систем управления малыми и средними объектами и построения систем диспетчеризации.

Построение системы управления и диспетчеризации на базе ОВЕН ПЛК возможно как с помощью проводных средств - используя встроенные интерфейсы Ethernet, RS-232, RS-485, так и с помощью беспроводных средств - использую радио, GSM, ADSL модемы [15].

В контроллере изначально заложены мощные вычислительные ресурсы при отсутствии операционной системы:

1) высокопроизводительный процессор RISC архитектуры ARM9, с частотой 180МГц компании Atmel;

2) большой объем оперативной памяти - 8МБ;

3) большой объем постоянной памяти - Flash память, 4МБ;

4) объем энергонезависимой памяти, для хранения значений переменных - до 16КБ.

Конкурентные преимущества ОВЕН ПЛК150:

1) Отсутствие ОС, что повышает надежность работы контроллеров;

2) Скорость работы дискретных входов - до 10КГц при использовании подмодулей счетчика;

3) Наличие аналоговых входов и выходов;

4) Большое количество интерфейсов на борту: Ethernet, 3 последовательных порта, работающих независимо друг от друга;

5) Расширенный температурный диапазон работы: от минус 20 до плюс 70 градусов Цельсия;

6) Широкие возможности самодиагностики контроллера;

7) Встроенные часы реального времени;

8) Встроенный аккумулятор, позволяющий "пережидать" пропадание питания - выполнять программу при пропадании питания, и переводить выходные элементы в "безопасное состояние";

9) Возможность создавать и сохранять архивы на Flash контроллера;

10) Возможность работы по любому нестандартному протоколу по любому из портов, что позволяет подключать устройства с нестандартным протоколом (электро-, газо-, водосчетчики, считыватели штрих - кодов и т.д.);

10) Набор готовых программных модулей, предоставляемых бесплатно.

Создание программ для контроллеров ОВЕН ПЛК150, и их конфигурирование осуществляется профессиональной системой программирования CoDeSys v.2.3.6.1 и старше.

Рисунок 19 - Схема подключения

ПЛК 150 имеет мало дискретных выходов. К тому же, имеются аналоговые входы и выходы, которые нам не нужны. Поэтому в итоге был выбран коммуникационный программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК 304 (Рисунок 20), связь с которым будет осуществляться через протокол RS-485. Такой контроллер применятся для осуществления взаимодействия между оборудованием, имеющим различные протоколы и интерфейсы связи. Применение коммуникационных контроллеров даёт возможность получить удалённый консольный доступ к различному оборудованию, также применение ОВЕН ПЛК 304 позволит создать системы диспетчеризации и мониторинга инженерных систем, технологических процессов и т.д.

Рисунок 20 - Внешний вид ОВЕН ПЛК 304

Коммуникационный контроллер ПЛК 304 имеет мощные ресурсы для вычислений на базе встроенной ОС. Кроме того ПЛК имеет достаточно большой размер RAM-64 Мб и энергонезависимой памяти - 16 Мб. Тактовая частота RISC процессора составляет 180 МГц, процессор построен на архитектуре ARM9 [16].

Особенности:

1. Порт Ethernet;

2. Для подключения внешних накопителей имеются два порта USB;

3. Часы реального времени;

4. Операционная система;

5. 3 порта RS-232 и один универсальный порт RS-232/RS-485;

6. Картридер для SD-карт (2 Гб максимально);

7. Использование двух сред программирования ПЛК ISagraf 5 и CoDeSys 3.

Преимущества контроллеров ОВЕН ПЛК 304:

1) Контроллеры имеют открытую архитектуру на основе ОС, что облегчает их встраивание в вертикально интегрированные среды разработки;

2) Контроллеры имеют мощные аппаратные ресурсы: быстродействующий процессор и большой объем оперативной(SDRAM) и энергонезависимой (Flash) памяти;

3) Наличие портов USB-host позволяет подключать к контроллерам различные устройства:

- для организации связи с внешним оборудованием (gsm/gprs- модемы, wifi-шлюзы);

- для подключения внешних накопителей данных (usb-flash).

4) Наличие встроенного картридера позволяет расширять энергонезависимую (flash) память контроллера до 2 ГБ. Увеличенное количество последовательных интерфейсов, позволяет подключать к контроллерам большое количество оборудования от разных производителей с поддержкой разных интерфейсов/протоколов связи;

5) Встроенные часы реального времени;

6) Возможность работы по любому нестандартному протоколу по любому из портов, что позволяет подключать устройства с нестандартным протоколом (электро-, газо-, водосчетчики, считыватели штрих - кодов и т.д.);

7) Возможность программирования контроллеров в 2-х, наиболее распространенных средах программирования контроллеров: Codesys 3.x и Isagraf 5;

8) Возможность программирования контроллеров из SCADA-систем с встроенным softlogic пакетом;

9) Набор готовых программных модулей, предоставляемых бесплатно.

Рисунок 21 - Пример структуры соединений при использовании ПЛК 304 в системе управления

2.3.4 Модуль ввода аналоговых сигналов МВ110-8А

Прибор предназначен для измерения аналоговых сигналов, преобразования измеренных параметров в значение физической величины и последующей передачи этого значения по сети RS-485. Приборы могут быть использованы для построения автоматизированных систем в различных областях промышленности, сельского и коммунального хозяйства, на транспорте [18]. По эксплуатационной законченности прибор относится к изделиям второго порядка.

Прибор выпускается в пластмассовом корпусе, предназначенном для крепления нa DIN- рейку шириной 35 мм или на стену. По верхней и нижней сторонам прибора расположены ряды клемм "под винт", предназначенных для подведения проводов питания, интерфейса RS-485, подключения датчиков. Разъемная конструкция клемм прибора позволяет осуществлять оперативную замену прибора без демонтажа подключенных к нему внешних линий связи. На лицевой панели прибора расположены светодиоды: - "RS-485", сигнализирующий миганием о передаче данных прибором; - "Питание", светящийся при включении питания. На рисунке представлен пример подключения модуля ввода/вывода к сети RS-485.

Рисунок 22 - Пример подключения модуля ввода/вывода к сети RS - 485

В качестве входных датчиков прибора могут быть использованы:

- термометры сопротивления;

- термопары (термоэлектрические преобразователи);

- активные преобразователи с выходным аналоговым сигналом в виде постоянного

напряжения, сопротивления или тока;

- датчики положения исполнительных механизмов;

- сухие контакты реле или выключателя.

В нашем случае используется термосопротивление.

автомобиль подогрев двигатель стояночный

2.3.5 Модуль дискретного вывода МУ110-16К

Прибор предназначен для управления по сигналам из сети RS-485 встроенными дискретными ВЭ, используемыми для подключения исполнительных механизмов с дискретным управлением. Встроенные ВЭ могут работать в режиме ШИМ [19].

МУ110 работает в сети RS-485 по протоколам ОВЕН, ModBus-RTU, ModBus-ASCII, DCON.

МУ110 не является Мастером сети, поэтому сеть RS-485 должна иметь Мастер сети, например, ПК с запущенной на нем SCADA-системой, контроллер или регулятор.

К МУ110 предоставляется бесплатный ОРС-драйвер и библиотека стандарта WIN DLL, которые рекомендуется использовать при подключении прибора к SCADA-системам и контроллерам других производителей.

Конфигурирование МУ110 осуществляется на ПК через адаптер интерфейса RS-485/RS-232 или RS-485/USB (например ОВЕН АСЗ-М или АС4) с помощью программы "Конфигуратор М110", входящей в комплект поставки.

Прибор отвечает требованиям по устойчивости к воздействию помех в соответствии с ГОСТ Р 51522 для оборудования класса А.

Рисунок 23 - Внешний вид МУ110-16К

Основные особенности модуля дискретного вывода ОВЕН МУ110-16К

· 6 каналов дискретного вывода, групповая развязка;

· Типы выходных элементов: К - транзисторная оптопара, открытый коллектор, 400мА, =60 В;

· Возможность выдачи ШИМ-сигнала с любого выхода;

· Напряжение питания: ~220 В или =24 В (в зависимости от модификации).

2.3.6 GSM-модем

Для дистанционного управления и обмена данными выбран GSM/GPRS модем ОВЕН ПМ01. Он предназначен для удаленного обмена данными через беспроводные системы связи стандарта GSM с оборудованием, оснащенным последовательными интерфейсами связи RS232 или RS485[21].

Преимущества GSM-модема ПМ01:

1) Защита от зависания - автоматическая перезагрузка модема;

2) Интерфейс RS-232 или RS-485;

3) Два варианта напряжения питания: 24В постоянного и 220В переменного тока;

4) Широкий диапазон температур: -30..+70;

5) Области применения GSM/GPRS модема ОВЕН ПМ01;

6) Системы сбора данных, диспетчеризации и управления;

7) Автоматические терминалы самообслуживания (платежные, вендинг и др.);

8) Системы охранной и противопожарной безопасности;

9) Удаленный контроль датчиков и различного оборудования, оснащенными последовательными интерфейсами;

10) Дистанционные измерения;

11) Доступ в Интернет.

Основные функциональные возможности GSM/GPRS модема ОВЕН ПМ01:

1) Прием и передача SMS;

2) Прием и передача данных с помощью CSD;

3) Прием и передача данных с помощью GPRS;

4) Работа с последовательными интерфейсами RS-232* или RS-485**;

5) Позволяет производить управление приемом и передачей данных по последовательным интерфейсам RS-232* или RS-485 с помощью АТ-команд в соответствии со стандартами GSM 07.05 и GSM 07.07;

6) Производит индикацию наличия обмена данными по последовательным портам RS-485 или RS-232*;

7) Производит индикацию наличия регистрации в сети GSM и наличия передачи данных в режиме GPRS (Рисунок 24).

Рисунок 24 - Схема применения GSM/GPRS модема ОВЕН ПМ01

2.3.7 Автоматический преобразователь интерфейсов RS-232/RS-485 ОВЕН АС3-М

Предназначен для взаимного преобразования сигналов интерфейсов RS-232 и RS-485. Позволяет подключать к промышленной информационной сети RS-485 устройство с интерфейсом RS-232 (персональный компьютер, считыватель штрих-кодов, электронные весы и т.д.) [20].

Рисунок 25 - Внешний вид АС3-М

Основные функции:

1. Взаимное преобразование сигналов интерфейсов RS-485 и RS-232;

2. Автоматическое определениее направления передачи данных;

3. Гальваническая изоляция входов между собой и от питающей сети;

4. Встроенные согласующие резисторы.

2.3.8 Пускатель ПМ12-010200

Пускатели типа ПМ 12-040 предназначены для работы в стационарных установках для дистанционного пуска непосредственным подключение к сети, остановки и реверсирования трехфазных асинхронных электродвигателей.

Пускатель имеет в наличии тепловое реле, осуществляющее защиту управляемых приборов от перегрузок. Также оснащен ограничителями напряжения, что позволяет использовать пускатель в системах управления с применением микропроцессорной техники.

Рисунок 26 - Внешний вид ПМ 12-040

3. Схемы подключения оборудования

3.1 Схема подключения ТЭНа автомобиля к распределительным щитам

На стоянке будет иметься 16 распределительных щитов (шкафы-розетки). Два из них будут является основными. В них будет располагаться модуль ввода аналоговых сигналов МВ110-8А, предназначенный для сбора информации о состоянии температуры двигателя автомобиля. К каждому щиту подключается ТЭН автомобиля и датчик температуры через переходник с идентификатором. Основной щит принимает сведения о температурном состоянии каждого автомобиля и передает их на контроллер для дальнейшей обработки (Рисунок 27).

Рисунок 27 - Электрическая схема подключения ТЭНа и ДТ к РЩ

3.2 Схема подключения идентификатора iButton DS1990A-F5

Все электронные ключи-идентификаторы iButton внешне похожи на дисковую металлическую батарейку (Рисунок 28). Металл представляет собой нержавеющую сталь. Диаметр диска около 17 мм, толщина 3,1 мм или 5,89 мм. Диск состоит из двух электрически разъединенных половинок.

Рисунок 28 - ключ-идентификатор iButton

Внутри он полый. В герметичную полость заключена электронная схема на кремниевом кристалле. Выход схемы соединен с половинками диска двумя проводниками. Половинки диска образуют контактную часть однопроводного последовательного порта. При этом через центральную часть идет линия данных, внешняя оболочка - земля. Для того чтобы произошел обмен информации iButton с внешними устройствами, необходимо прикоснутся обеими поверхностями половинок металлического диска к контактному устройству (зонду), также состоящему из двух электрически не связанных, проводящих электрический ток частей.

Обычно для материала контактов зонда используют нержавеющую сталь или медный сплав, с нанесенным на него защитным токопроводящим покрытием. Процесс касания к зонду показан на Рисунке 29.

Рисунок 29 - Процесс соприкосновения с зондом

Большая площадь поверхности контактов защищает систему от неточного совмещения при подключении по причине "человеческого фактора" или при автоматизированном касании, когда идентификатор и зонд расположены на различных подвижных механизмах. Кроме того дисковая форма корпуса направляет и очищает контакты, гарантируя надежное соединения, а закругленный край корпуса легко совмещается с зондом.

Идентификатор встраивается в вилку и путем соприкосновения со считывателем, который встраивается в розетку шкафа, передает информацию о номере пользователя контроллеру (Рисунок 30).

Рисунок 30 - Общий вид вилки с идентификатором и розетки со считывателем

3.3 Функциональная схема модема

Рисунок 31 - Общий вид GSM/GPRS модема ОВЕН ПМ01

GSM/GPRS модем ОВЕН ПМ01 предназначен для удаленного обмена данными через беспроводные системы связи стандарта GSM с оборудованием, оснащенным последовательными интерфейсами связи RS232 или RS485.

Преимущества GSM-модема ПМ01:

· Защита от зависания - автоматическая перезагрузка модема;

· Интерфейс RS-232 или RS-485;

· Два варианта напряжения питания: 24В постоянного и 220В переменного тока;

· Широкий диапазон температур: -30..+70;

Области применения GSM/GPRS модема ОВЕН ПМ01:

· Системы сбора данных, диспетчеризации и управления;

· Автоматические терминалы самообслуживания (платежные и др.);

· Системы охранной и противопожарной безопасности;

· Удаленный контроль датчиков и различного оборудования, оснащенными последовательными интерфейсами;

· Дистанционные измерения;

· Доступ в Интернет;

Основные функциональные возможности GSM/GPRS модема ОВЕН ПМ01:

· Прием и передача SMS;

· Прием и передача данных с помощью CSD;

· Прием и передача данных с помощью GPRS;

· Работа с последовательными интерфейсами RS-232 или RS-485;

· Позволяет производить управление приемом и передачей данных по последовательным интерфейсам RS-232 или RS-485 с помощью АТ-команд в соответствии со стандартами GSM 07.05 и GSM 07.07;

· Производит индикацию наличия обмена данными по последовательным портам RS-485 или RS-232;

· Производит индикацию наличия регистрации в сети GSM и наличия передачи данных в режиме GPRS;

Таблица 3 -Назначение контактов соединителей

Схемы кабелей для подключения ПМ01 к ПЛК по 3х-проводной схеме с установленной на модеме перемычкой разъема Х1: 6 и 9.

Таблица 4 - Схемы кабелей для подключения ПМ01 к ПЛК

Таблица 5 - Функциональное назначение положений переключателя

Таблица 6 - Функциональное назначение индикаторов модема

Рисунок 32 - Функциональная схема модема

3.4 Монтажная схема РЩ и переходника с чипом

Распределительный щит представляет собой шкаф с открывающейся вверх крышкой, внутри которого располагается розетка со считывателем. Когда подключается вилка к розетке, происходит соприкосновение идентификатора со считывателем и номер пользователя вместе с показаниями состояния температуры двигателя передаются на контроллер. Вилка будет иметь 4 штыря: линия, два от датчика температуры и нейтраль. Чертеж в разрезе представлен ниже на рисунке 33.

Рисунок 33 - Чертеж шкафа-розетки