Протокол PROFIBUS и сеть на его основе

4. Протокол PROFIBUS и сеть на его основе

 

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

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

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

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

PROFIBUS-PA – это сетевой интерфейс, физическая среда передачи данных которого соответствует стандарту IEC 61158-2, может применяться для построения сети, соединяющей исполнительные устройства, датчики и контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне. Все протоколы используют одинаковые технологии передачи данных и общий метод доступа к шине, поэтому они могут функционировать на одной шине. Дополнительно к перечисленным протоколам, поддерживаются следующие возможности обмена данными:

Службы FDL (Field Data Link – Канал полевых данных), SEND/RECEIVE – Отправить/Получить, позволяют легко и быстро установить соединение с любым устройством, поддерживающим FDL. Функции S7 позволяют оптимизировать соединение с устройствами семейства SIMATIC S7.

Сеть PROFIBUS построена в соответствии с многоуровневой моделью ISO 7498 – OSI. PROFIBUS определяет следующие уровни:

1 – физический уровень – отвечает за характеристики физической передачи

2 – канальный уровень – определяет протокол доступа к шине

7 – уровень приложений – отвечает за прикладные функции

Задание

Для данного типа производства найти вариант реализации распределённой системы управления и кратко его описать, отразив следующие характеристики:

1.  Структурная схема системы управления

2.  Интерфейсы и сигналы нижнего уровня: количество и характеристики

3.  Котроллеры и модули: основные характеристики

4.  Сетевая структура

5.  аппаратура верхнего уровня системы: функции и характеристики

6.  ПО верхнего уровня и его основные задачи

7.  Пример мнемосхемы

 

5. Автоматизированная система управления взрывоопасным технологическим процессом

 

Введение

Наше предприятие налаживает производство статоров для газовых центрифуг. Одним из звеньев технологического цикла изготовления статора является изоляция его обмоток. Был проведён ряд исследований, в результате которых выяснилось, что обеспечению изоляции обмоток от агрессивной рабочей среды обладают статоры, заполненные эпоксидным компаундом, при работах с которым требуется использовать растворители, обладающие взрывоопасными характеристиками. В связи с этим возникла необходимость создания АСУ ТП заполнения компаундной смесью и окрашивания статоров, удовлетворяющей всем требованиям по взрывозащите для помещения класса I, категории 1 и осуществляющей контроль и исполнение технологического процесса в заданных рамках. Вновь создаваемая АСУ ТП получила название «Пульс».

Автоматизируемый технологический процесс заключается в поддержании заданной температуры в технологических шкафах в течение определённого времени. Значение температуры зависит от типа выбранного технологического режима. Равномерный нагрев осуществляется за счёт подачи пара на калориферы через регуляторы и последующего распределения тепла вентилятором шкафа.

При выполнении технологического процесса статор проходит два этапа: заполнение и окрашивание.

Рассмотрим, какие операции включает в себя каждый из этапов. На этапе заполнения статоров компаундной смесью выполняются следующие операции:

· Сушка статоров

· Приготовление компаунда

· Заполнение статором компаундом

· Вакуумирование

· Полимеризация компаунда

· Охлаждение статоров

При этом следует заметить, что установка для заполнения статоров включает в себя:

· четыре сушильных шкафа

· Шкаф для приготовления компаунда

· Две установки вакуумирования

· Систему вентиляции

На этапе окрашивания статоров производятся следующие операции:

· Окрашивание статоров методом пневматического распыления

· Сушка статоров после окрашивания. Установка для окрашивания статоров состоит из окрасочной камеры

· Шкафа для приготовления эмали

· Двух сушильных шкафов

· Системы вентиляции

Операции приготовления компаунда, заполнения, вакуумирования и окраски выполняются персоналом участка вручную, остальные операции производятся автоматически после загрузки в шкафы и включения оператором требуемого режима.

После заполнения статоров и полимеризации компаунда производится окрашивание статоров, направленное на улучшение их внешнего вида. На данном этапе используются растворители, являющиеся взрывопожароопасными.

Исходя из особенностей технологического процесса, следует, что объект автоматизации характеризуется дискретно-непрерывным функционированием и взрывопожароопасностью. В ходе разработки технологической цепочки были сформулированы цели создания АСУ ТП, заключающиеся в:

· Автоматизации контроля и управления технологическим процессом заполнения компаундной смесью и окрашивания статоров

· Своевременном обнаружении и устранении отклонений параметров технологического процесса от нормы

· Создании безопасных и комфортных условий работы эксплуатационного персонала

· Оповещении пользователя о неисправностях, предупредительных и аварийных сигналах

· Автоматизации архивирования информации

Помимо основных целей, программный комплекс системы выполняет также ряд вспомогательных функций, направленных на анализ хода и результатов технологического процесса: построение графиков и трендов, регистрация событий и т.п. для контроля и управления технологическим процессом возникла необходимость организации двух автоматизированных рабочих мест, учитывая требования взрывозащиты.

Обеспечение взрывозащиты

На обеспечение взрывобезопасности направлен ряд мер. Рассмотрим их подробнее.

Задача взрывозащиты вычислительного оборудования АСУ ТП «Пульс» была решена путём использования «интеллектуальных» пультов PurgeWork-station WS 2104X-XP фирмы ProTech, обеспечивающих взрывозащиту методом изоляции (поддержания избыточного давления) и допускающих применение в помещениях класса I, категории 1.

Пульты представляют собой металлические шкафы, к которым подведена магистраль сжатого воздуха. Клавиатура и мышь являются элементами пульта управления. Внутренняя логическая схема пультов контролирует разность давления воздуха внутри и снаружи шкафа. При снижении контролируемого значения ниже предельного автоматически отключается питающее напряжение с вычислительного комплекса, расположенного внутри пульта. Повторное включение возможно только после увеличения давления воздуха до требуемого значения и проведения операции «быстрый обмен» для полной замены газовой среды внутри пультов на чистый воздух, подаваемый извне. Внутри пультов расположены промышленные компьютеры с мониторами и платами ввода-вывода, принтеры, сетевой коммутатор и источники бесперебойного питания. Применение данных пультов исключает такой фактор взрыва, как энергия воспламенения .

Для исключения взрывоопасной составляющей, способной выполнить роль «топлива», были установлены сигнализаторы довзрывоопасной концентрации паров растворителей, применяемых в технологическом процессе, которые обрабатывают ряд технологических блокировок, направленных на подавление ситуации, ведущей к возможности взрыва (блокировки выполняются в автоматическом режиме с компьютера). И наконец, для обеспечения всех требований взрывозащиты применено низовое технологическое оборудование, имеющее взрывозащищённое исполнение.

Описание технологического процесса

Технологический участок включает в себя две установки. Первая предназначена для заполнения статоров компаундом, вторая – для их окрашивания. На участке установлены два пульта управления, информационно объединённых в одну систему. Оба компьютера системы позволяют вести контроль и управление любой из установок. Технологическая схема шкафа приведена на рис.1.

Нагрев осуществляется за счёт прохождения пара через калорифер по одной из двух магистралей, при этом положение электромагнитных клапанов КП1 и КП2 устанавливается оператором в зависимости от выбранного технологического режима. Все режимы регламентированы по времени (за исключением режима охлаждения, завершаемого при достижении заданной температуры), отсчёт которого производится в компьютере. По завершении отсчёта времени (или по достижении установки) автоматически производится переход на новый технологический режим, а оператор оповещается об окончании выполнения заданного режима работы шкафа.

Для регулирования температуры используются регуляторы РТ-ДО 50. при открытом клапане КП1 в работе находится регулятор 1 (Рег.1), выполняющий поддержание температуры около уставки 95±5˚С. При открытии клапана КП2 (одновременное открытие обоих клапанов при выполнении режима невозможно) в работу вступает регулятор 2 (Рег. 2) для поддержания температуры 80±5˚С.

Аппаратная логика системы делает невозможным осуществление технологического процесса при отключённых компьютерах. В этом случае автоматически закрываются клапаны и останавливаются вентиляторы, что соответственно приводит к исключению неконтролируемого роста температуры и повышения концентрации растворителей.

Сигнализаторы довзрывоопасной концентрации обеспечивают гаранторованное оповещение персонала о превышении допустимой концентрации паров растворителей (формируются сигналы, идущие на компьютер и чирену, компьютер вырабатывает и направляет сигналы на звуковые колонки, расположенные внутри пультов, и на мнемосхемсы технологического участка).

При возникновении опасных технологических ситуаций (перегрев, останов вентиляторов, высокая концентрация паров растворителей и др.) компьютер формирует команды автоматического управления (блокировки), направленные на стабилизацию или останов технологического процесса.

Структура и аппаратные средства системы

При выборе аппаратных средств системы предпочтение отдавалось изделиям фирмы Advantech. На предприятии имеется положительный опыт долговременного использования оборудования данного производителя, которое зарекомендовало себя надёжным в работе и простым в эксплуатации. Большим плюсом при подборе оборудования явилась широкая номенклатура компонентов автоматизации Advantech, позволившая выбрать именно то, что необходимо. В частности, для сбора данных и формирования команд управления применены:

● для аналогового ввода - универсальные платы PCL_812PG;

● для дискретного ввода - PCL730 и PCL_733;

● для дискретного вывода - PCL_730 в комплекте с платами релейной коммутации PCLD_885.

Подключение всех входных сигналов произведено через клеммные платы PCLD_880, выходных — через PCLD_885, смонтированные на задней двери пульта управления PurgeWorkstation (рис. 2).

Данные об объёме сигналов контроля и управления приведены в табл. 1.

ТИП	КОЛИЧЕСТВО
Аналоговый	16
Дискретный ввод	84
Дискретный вывод	38

АСУ ТП «Пульс» построена подвухуровневой схеме (рис. 3), где первый уровень представлен низовым оборудованием, второй — вычислительным комплексом.

Промышленный компьютер (ПК) выполнен на базе шасси IPC_615 фирмы Advantech, укомплектованного процессорной платой PCA_6178V.

Общий вид рабочего места оператора и размещение средств вычислительной техники показаны на рис. 4 и 5 соответственно.

Компьютеры объединены в локальную сеть участка через четырехпортовый коммутатор Corman CT_FE304. Кроме того, сеть участка подключена к локальной сети цеха для обеспечения передачи накопленных по участку данных на цеховой сервер с возможностью последующей обработки и анализа этих данных. Источники бесперебойного питания (ИБП) Power Ware 9120 защищают вычислительное оборудование от скачков питающего напряжения.

К каждому ПК подключены звуковые колонки для обеспечения звуковой предупредительной и аварийной сигнализаций и матричный принтер для печати регистрационных сообщений.

Тип датчиков и исполнительных устройств указан на рис. 3, при этом следует заметить, что низовое оборудование имеет взрывобезопасное исполнение, соответствующее категории участка.

Описание программного обеспечения

Программное обеспечение (ПО) АСУ ТП написано на языке С и работает под управлением ОС РВ QNX 4.х. Для разработки и функционирования графического интерфейса пользователя использованы графическая оболочка Photon и инструментальное средство Photon Application Builder. Выбор данной ОС обусловлен ее надёжностью и накопленным опытом разработки ПО для автоматизированных систем под управлением ОС данного типа.

Разработанное ПО выполняет следующие функции:

● отображение состояния оборудования и значений технологических параметров;

● управление технологическим оборудованием в ручном и автоматическом режимах;

● технологические блокировки (список действующих блокировок определяет пользователь);

● накопление технологических параметров за два последних месяца с возможностью построения графиков по имеющимся данным;

● регистрация событий, сигналов и действий пользователя и хранение

архива за последние 12 месяцев с возможностью просмотра, сортировки и печати;

● корректировка параметров технологических режимов (температура, время);

● ведение журнала (базы данных) статоров, прошедших обработку на участке.

Внешний вид основных окон ПО АСУ ТП приведён на рис. 6, 7, 8.

Затрагивая тему информационной безопасности, можно отметить, что для разграничения прав доступа в системе реализована идентификация пользователей по паролю. Имеется четыре категории пользователей: обслуживающий персонал, операторы, технологи и администратор системы.

Обслуживающий персонал обладает правами на просмотр состояния технологического оборудования и технологических параметров, операторы могут выполнять контроль и управление. Технологи имеют права, аналогичные тем, которыми обладают операторы, дополнительно они могут изменять параметры технологического процесса. Администратор имеет право создавать, удалять, изменять учетные записи пользователей, а также обладает всеми возможностями других категорий пользователей. По завершении работы с системой для предотвращения несанкционированного управления эксплуатирующий персонал завершает свой сеанс управления, оставляя систему в защищённом режиме (возможен только просмотр). Для входа в сеанс управления пользователь должен подтвердить свои права вводом пароля.

Также одной из полезных функций ПО системы является динамическое подключение сигналов к платам ввода-вывода, когда без корректировки ПО технолог может указать, к какому выводу платы подключён тот или иной сигнал. Данная функция обеспечивает гибкость системы при монтаже и наладке аппаратной части АСУ ТП. На компьютерах АСУ ТП «Пульс» выполняется одинаковое ПО, одной из функций которого является синхронизация текущих и накопленных данных.

Разработка системы также потребовала написания:

● драйверов для плат ввода-вывода PCL_730 и PCL_733;

● программы контроля состояния источника бесперебойного питания Power Ware 9120 (рис. 9);

● программы копирования архивов с компьютеров АСУ ТП, работающих под управлением ОС QNX, на цеховой сервер, работающий под управлением ОС Windows 2000.

 

Управление АСУ ТП

ПО системы создавалось с учётом требований реализации интуитивно понятного интерфейса пользователя. Исходя из этого, на мнемосхемах изображается технологическое оборудование в приближенном к реальному виде. Состояние объектов определяется цветом, анимацией и текстом с дополнительной информацией, появляющимся при наведении курсора мыши на интересующий объект. Технологическое оборудование имеет местное и дистанционное управление. Для дистанционного управления (с компьютера) необходимо произвести выбор объекта при помощи мыши, а затем в появившемся окне выбрать необходимую команду (открыть/закрыть, включить/выключить и т.д.). Для запуска технологического режима оператору необходимо загрузить статоры в шкаф и указать режим работы этого шкафа, после чего система произведёт действия, направленные на корректную работу технологического оборудования и поддержание требуемых технологических параметров. Поскольку технологический процесс возможен только при строго определенном состоянии низового оборудования, ПО выполняет еще и информационно советующие функции по включению режимов и оборудования в виде текстовых сообщений (подсказок) пользователю.

Хранение технологической информации

Хранение данных в системе осуществляется при помощи системы управления базами данных (БД) Raima Manager. ПО системы использует четыре БД для:

● хранения описания оборудования системы;

● регистрационных сообщений;

● хранения накопленных значений технологических параметров;

● хранения номеров статоров, обработанных на участке.

На каждом компьютере ведутся БД, синхронизируемые между собой при помощи ПО. Один раз в месяц автоматически формируются текстовые файлы по каждому датчику, содержащие накопленные за месяц данные. По запросу оператора эти файлы копируются на сервер цеха, работающий управлением ОС Windows 2000.

 

Заключение

АСУ ТП участка по заполнению компаундной смесью и окрашиванию статоров функционирует с июня 2002 года.

В связи со сжатыми сроками внедрения система была налажена в течение одного месяца и сразу введена в промышленную эксплуатацию.

Создание участка по заполнению компаундной смесью и окрашиванию статоров позволило нашему предприятию сэкономить около 350 рублей на каждое выпускаемое изделие, в том числе и за счет внедрения АСУ ТП «Пульс».

Анализ результатов промышленной эксплуатации показал, что разработанная система позволила:

● автоматизировать контроль и управление технологическим процессом по заполнению компаундной смесью и окрашиванию статоров газовых центрифуг;

● повысить качество выпускаемой продукции за счёт оперативного выявления отклонений параметров технологического процесса от нормы. Фактически исключён брак продукции при изготовлении;

● оперативно выявлять предаварийные ситуации, блокировать их развитие и предупреждать об этом оператора;

● создать безопасные и комфортные условия работы обслуживающего персонала. Графический интерфейс системы представляет информацию о процессе в удобном виде и обеспечивает быстрое освоение системы технологическим персоналом;

● информировать пользователя об ошибочных действиях и не допускать таких действий;

● автоматически формировать архивы накопленных данных для дальнейшего анализа качества выпускаемой продукции;

● вести базу данных номеров статоров, обработанных на участке, с указанием даты выпуска и фамилии производителя.

За все время эксплуатации системы не было выявлено отказов оборудования и ПО.

АСУ ТП «Пульс» выполняет все задачи и функции, установленные в техническом задании, и не вызвала никаких замечаний со стороны заказчика.

 

Список литературы:

 

1.  http://www.asutp.ru- средства и системы компьютерной автоматизации.

2.  www.scada.ru - сайт, посвященный системам SCADA.

3.  www.cta.ru/cms/f/341683.pdf - сайт журнала Современные технологии автоматизации.

4.  http://www.novosoft.by/Ency/rs-485.htm