К.пр. - 21

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)

Кафедра автоматизации процессов химической промышленности

Проектная компоновка управляющих вычислительных комплексов

Методические указания к курсовому проектированию

по дисциплине "Управляющие и измерительные

вычислительные комплексы"

Санкт-Петербург,2003

УДК 681.324

Проектная компоновка управляющих вычислительных комплексов:

Метод. указания к курсовому проектированию /

ТИ - СПб., 2000 – 18c.

Методические указания разработаны в соответствии с программой учебной дисциплины "Управляющие и измерительные вычислительные комплексы" для студентов специальности 21.02.00.

Ил. , табл. , библиогр.

Составители: д-р. техн. наук, проф. Л.А.Русинов;

канд. техн. наук, доц. Н.А.Сягаев;

канд. техн. наук, доц. В.В.Куркина;

канд. техн. наук, доц. Н.А.Чистяков.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление 3

1. Введение 4

2. Основные требования и особенности УВК 4

3. Типовые структуры УВК 7

4. Выбор и компоновка УВК 8

5. Некоторые особенности подключения устройств

полевой автоматики 9

6. Погрешности подсистем аналогового ввода 12

7. Электропроводки 13

8. Состав и порядок выполнения проекта 16

9. Приложение. Задания на курсовой проект 18

Введение

Курсовой проект выполняется в рамках учебной дисциплины "Измерительные и управляющие вычислительные комплексы", изучаемой студентами специальности 210200, на 10-м семестре.

Целью курсового проекта является ознакомление с техническим обеспечением АСУТП на базе контроллеров различных классов и промышленных ЭВМ. В проект входит ознакомление с требованиями к УВК, изучение структуры выбранных УВК, подключение УВК к модельному объекту, проектная компоновка УВК.

1. Основные требования и особенности увк

Для выбора УВК рассмотрим основные требования, которым должна удовлетворять аппаратура УВК.

1. Одним из самых важных требований к УВК является требование обеспечения высокой надежности при работе в условиях больших перепадов температур, запыленности, вибраций и т.п.

Приведем типовые требования к условиям работы аппаратуры комплексов:

• рабочий диапазон температуры окружающего воздуха от -30С до +50С;

• относительная влажность воздуха до 95% при температуре 35С и более низких температурах без конденсации влаги;

• вибрация с частотой до 55 Гц и амплитудой смещения до 0,35мм;

• питание от сети переменного тока с номинальным напряжением 220В (с колебаниями от -15% до +10% от номинала) и частотой (49-51)Гц.

Для обеспечения высокой надежности УВК в таких условиях применяется:

• а)функционально-модульное построение устройств и блоков с качественными разъемными соединениями, а также соответствующие конструктивы, обеспечивающие нормальную работу УВК в промышленных условиях в соответствии с категорийностью помещений, где они устанавливаются;

• б)эффективная система тестового контроля, позволяющая быстро выявить неисправность;

• в)тренировка готовых изделий перед передачей заказчику (эффективность тренировки объясняется тем, что большинство отказов происходит на первых этапах работы изделий, а затем число их снижается по экспоненте);

• г)резервирование аппаратуры УВК.

Для повышения надежности работы УВК должны быть приняты самые серьезные меры по улучшению качества питающей сети и защите от помех. Это, прежде всего, использование сетевых фильтров, источников бесперебойного питания (ИБС) и др.

Среднее время наработки на отказ аппаратуры УВК в целом должно быть не менее 10000ч (производители современных УВК анонсируют время наработки на отказ даже 50 тысяч часов, для ориентировки - в году 8760ч). Комплексы, контроллеры и рабочие станции должны быть рассчитаны на эксплуатацию в течение 5 лет с круглосуточным режимом работы. Наработку на отказ каналов связи с объектом желательно иметь еще большей, т.к. замена кабельного хозяйства значительно более дорогая и хлопотная, чем замена процессора.

Дальнейшее повышение надежности достигается компоновкой дублированных комплексов (резервированием) на основе двух однопроцессорных. В режиме штатного функционирования один из контроллеров дублированного комплекса является управляющим, другой - следящим.

Обычно используют горячее резервирование, когда оба комплекса работают одновременно. При этом дублироваться могут:

• только контроллеры,

• контроллеры и полевая автоматика,

• все оборудование УВК (включая и сетевое оборудование, связывающее устройства АСУТП).

Информация с аналоговых и дискретных датчиков поступает и в управляющий, и в следящий контроллеры одновременно, а выдача управляющих воздействий на объект осуществляется только управляющим контроллером.

При отказе управляющего контроллера функции выдачи управляющих воздействий на объект перехватываются следящим контроллером. Обнаружение отказов выполняется специальными программами диагностики.

После восстановления работоспособности отказавшего контроллера он подключается к работе в качестве следящего или управляющего контроллера. Для выполнения всех этих переключений в каждый комплекс (контроллер) вводятся специальные модули, которые инициализируют дистанционный сброс и перезапуск неисправного процессора, отключают неисправный канал или группу каналов и, переключая их на резервные, обеспечивают безударное переключение полевой автоматики с одного контроллера на другой.

Наработка на отказ дублированных комплексов составляет не менее 100 тыс. часов и зависит от состава технических средств.

2. Важным качеством УВК, необходимым для реализации современных АСУТП, является возможность организации иерархических и распределенных структур, а это предполагает организацию сети и связь по сети с другими УВК или ЭВМ, установленными в различных службах предприятия, и с другими процессорами или контроллерами в рамках данного УВК. Поэтому наличие развитых программно-технических средств сетевой поддержки является важным требованием к УВК.

Обычно процессоры УВК имеют в своем составе 1-2 порта последовательной связи, поддерживающие стандарт RS232. Основной недостаток этого интерфейса - существенное ограничение на дальность передачи (до 100м, надежно - до 25м), поэтому часто в УВК эти порты используются для поддержки интерфейсов RS422 или RS485 (последний фактически представляет простейшую полевую сеть) с дальностью до 1-1,2км. Кроме того, имеются порты (а значит и соответствующие, обычно встроенные, адаптеры) выхода на полевую сеть, часто используемую для внутренней связи между аппаратурой УВК, и выходы (через встроенный или внешний адаптер) на сеть более высокого уровня (часто это Ethernet или Arcnet).

3. Третьей особенностью УВК, используемых непосредственно для управления, является наличие развитого УСО. Эти модули выполняются на вставных платах, либо в стандарте процессора, либо в стандарте автономного блока, в котором они устанавливаются.

В современных УВК с целью экономии расхода кабелей и снижения влияния помех модули УСО объединяются в отдельные блоки, устанавливаемые в непосредственной близости от датчиков и связываемые с контроллером по каналам цифрового последовательного интерфейса, например, RS485.

Эти модули имеют микропроцессорное управление и реализуют кроме основных функций, также и ряд функций первичной обработки информации (линеаризацию, масштабирование, различные коррекции, в том числе и на изменение окружающей температуры, и т.п.) и часто позволяют проводить настройку параметров и тестирование с пульта оператора.

Выбор конкретного состава модулей УСО, необходимого для данного объекта, выполняется в процессе проектной компоновки УВК. Результатом компоновки является заказная спецификация на УВК.

4. Контроллеры, устанавливаемые в цеху обычно имеют минимальные средства для визуализации информации. Ввод необходимых данных, настроек и т.п. осуществляется либо по сети с рабочей станции, либо с переносного пульта (как, например, в Ремиконте).

В то же время рабочие станции, входящие в состав УВК или подключенные к УВК пользователем, снабжаются самыми разнообразными дисплеями (в настоящее время - это обычно жидкокристаллические дисплеи ЖКД). Обычно рабочее место оператора в цеху имеет один или, реже, несколько дисплеев, что позволяет одновременно выводить различную информацию (например, мнемосхемы участков производства с указанием значений технологических параметров в различных ее точках, сводку текущих параметров в сравнении с номинальными и предельными, схему сигнализации о нарушениях и т.п.).

Клавиатура (обычно сенсорная, мембранного типа, защищенная) также может иметь несколько разновидностей: цифровая клавиатура для введения заданий регуляторам и т.п. цифровой информации, технологическая - для вызова тех или иных алгоритмов выполнения технологических операций, выбора требуемых участков процесса для выдачи на дисплей и т.п.

В последнее время появились сенсорные экраны, совмещающие функции сенсорной технологической клавиатуры и дисплея: при касании соответствующей точки дисплея (например, с мнемосхемой на экране) срабатывает та или иная функция).

5. УВК поставляются с системным (базовым) программным обеспечением, а прикладное обеспечение, реализующее конкретные операции по управлению объектом, создается уже на месте пользователем.

Базовое программное обеспечение обычно включает:

1. операционную систему реального времени с малым временем реагирования для задач сбора информации, аналогового и логического управления, регистрации аварийных ситуаций и др. (например, не более 1 мс);

2. тестовую (диагностическую) систему для анализа состояния аппаратуры УВК;

3. библиотеки типовых алгоритмов для конфигурирования технологических программ контроллеров в соответствии с стандартом МЭК IEC-1131, включающей алгоритмы: сбора и обработки аналоговой и дискретной информации; реализации регуляторов; логического управления и др.;

4. подсистему конфигурирования технологических программ контроллеров из библиотечных алгоритмов и программных модулей, разработанных на языках технологического программирования самим пользователем (при этом конфигурирование контроллеров и отладка технологических программ обычно может производиться как с сетевых рабочих станций, так и с ПЭВМ, подключаемых непосредственно к контроллеру);

5. сетевую операционную систему и сетевое ПО для построения территориально рассредоточенных АСУТП, обеспечивающее обмен технологической информацией по линиям связи между контроллерами и рабочими станциями;

6. комплект программ для метрологической аттестации модулей УСО.

Прикладное обеспечение составляется пользователем как правило на том или ином технологическом языке, рассчитанном на использование неспециалистами.

Использование языков высокого уровня (в том числе и упрощенных) облегчает программирование задач верхнего уровня управления производством (задач АСУП), задач поиска информации и сравнения, таблиц и протоколов. Эти функции, а также функции операторского интерфейса, развитию которого в последнее время уделяется большое внимание, реализуются с помощью пакетов программ, получивших общее название СКАДА и ММИ (примером могут служить пакеты РИУС, Кварц-95, Genesis и др.).