Содержание

Содержание

Введение

1. Общая и иерархическая структуры тепличного комбинатов.
2. Смесительное устройство

2.1. Математическая модель смесительного устройства

2.2. Синтез замкнутой системы управления смесительным устройством

2.2.1. Настройка и моделирование отдельных контуров системы

2.2.1 Исследование взаимного влияния контуров

2.3. Учет влияния возмущений

2.4. Разработка функциональной схемы

2.5. Выбор исполнительных устройств

2.6. Выбор датчиков

2.7. Выбор микроконтроллера

2.8. Разработка принципиальной схемы.

3. Сопряжение верхнего и нижнего уровней АСУ тепличного комбината

3.1. Выбор сети

3.2. Выбор типа линии связи

3.3. Идентификация устройств в сети MicroLAN

3.4. Выбор топологии сети

3.5. Принципы работы однопроводной сети MicroLAN

3.6. Программное обеспечение сети MicroLAN

3.7. Выбор ведущего адаптера 1-Wire линии

3.8. Выбор ведомых устройств

3.9. Выбор приборов для ветвления сети

4. Визуализация и архивирование технологического процесса

4.1. Выбор SCADA системы

4.2. SCADA система TRACE MODE

4.2.1 Общая структура и возможности TRACE MODE

4.2.2. Исполнительные модули TRACE MODE

4.2.3. TRACE MODE 6: синтез новых технологий

4.3. Графическое отображение состояния производственных процессов.

4.3.1. Назначение программы

4.3.2. Требования к аппаратным и программным ресурсам

4.3.3. Схема работы и возможности программы графического отображения состояния производственных процессов.

4.3.4. Запуск и работа программы графического отображения

4.3.5. Графический интерфейс оператора

4.3.6. Система архивов TRACE MODE

5. Сервер производственного контроля

5.1. Назначение сервера

5.2. Анализ информационных потребностей фирмы

5.3. Выбор сетевой ОС

5.4. Выбор сетевых протоколов

5.4.1. Протокол 1-Wire

5.4.2. Стек протоколов TCP/IP

5.4.3. Протокол РРР

5.5. Web-сервер

5.6. Информационная безопасность

К сожалению, описание всех применяемых методик и средств защиты информации выходит далеко за рамки дипломной работы.

5.7. Резервное копирование

6. Безопасность и экологичность проекта

6.1. Анализ основных потенциально опасных факторов

6.2. Оценка факторов, влияющих на окружающую среду и оператора при работе с компьютером

6.3. Оценка интерфейса разрабатываемой программы и среды разработки

6.4. Пожарная безопасность

6.5. Экологичность работы

7. Технико-экономическое обоснование проекта

7.1. Выбор и обоснование аналога

7.2. Расчет интегрального показателя качества

7.3. Функционально-стоимостной анализ

7.4. Расчет затрат на конструкторскую и технологическую подготовку производства

7.5 Определение показателей экономической эффективности для потребителя

7.6. Расчет себестоимости и определение показателей экономической эффективности для производителя.

Заключение

Список используемой литературы
Введение

Выращивание сельскохозяйственной продукции в тепличных условиях представляет собой достаточно сложную технологическую проблему. На величину будущего урожая влияет много факторов, и не последнюю роль при этом играет точность поддержания температурного режима в зависимости от внешних погодных условий, вида выращиваемой культуры и степени её зрелости. Температурный режим, в свою очередь, зависит от температуры и давления теплоносителей, исправности исполнительных механизмов и трубопроводов, ценности материала теплиц, квалификации и дисциплины обслуживающего персонала.

Внедрение автоматизированной системы управления тепличным хозяйством имеет следующие основные преимущества:

1. Точность поддержания климата увеличивает объем и повышает качество продукции, сокращает непроизводительные расходы ресурсов (газ, электроэнергия, вода и т. п.).
2. Возможна круглосуточная работа системы в автоматическом режиме, что значительно уменьшает затраты на обслуживающий персонал.
3. Звуковое и визуальное (графическое) оповещение о нештатных ситуациях (выход значений контролируемых параметров за технологические границы, выход из строя оборудования и т.п.) сводит к минимуму потери от аварий и нарушений технологического режима.

Целью дипломного проекта является создание верхнего уровня АСУ тепличного комбината, рассмотреть проблемы визуализации и архивирования технологического процесса, сопряжения нижнего и верхнего уровней АСУ тепличного комбината. Также необходимо алгоритмическую и техническую структуры САУ смесительного устройства.

1. Общая и иерархическая структуры тепличного комбината.

В состав тепличного комбината входят две теплицы и два подсобных помещения. В одном из этих помещений размещается смесительное устройство, а в другом – автоматизированное рабочее место оператора.

В теплицах могут выращиваться такие культуры, как клубника, огурцы (короткоплодный и длинноплодный), томаты, баклажаны. В зависимости от вида выращиваемой культуры система поддержания (контроля) микроклимата считывает задания из базы данных vegetables, расположенной на сервере производственного контроля. По желанию заказчика в базу данных могут быть добавлены и другие культуры.

Система контроля и стабилизации микроклимата представляет собой нижний уровень автоматизированной системы управления тепличным комбинатом. Данная система обеспечивает поддержание требуемых значений контролируемых параметров микроклимата, таких как температура и влажность воздуха, влажность почвы.

Для поддержания требуемой влажность воздуха и почвы в теплицах комбината, необходимо периодически распылять воду. Чтобы уменьшить влияние распыляемой воды на температуру воздуха и почвы в теплице, необходимо, чтобы её температура была равна температуре воздуха в теплице. Для получения воды необходимой температуры используется смесительное устройство, представляющее собой емкость объемом .

Все необходимые технологические режимы работы теплицы задаются оператором непосредственно с автоматизированного рабочего места (АРМ) и оперативно контролируются в зависимости от протекающих производственных процессов.

В качестве верхнего уровня автоматизированной системы будет использоваться, информационный комплекс, который реализует следующие основные функции:

1. Регистрация и отображение значений контролируемых параметров (температура и влажность воздуха и почвы, положения регулирующих клапанов, форточек, освещенность и т.д.) в виде мнемосхем, на которых размещены: планы объектов, изображения приборов и установок, шкалы, положения регулирующих клапанов, движущиеся агрегаты и т. п.
2. При возникновении нештатных ситуаций может производиться фокусировка на любом объекте, звуковое оповещение, всевозможные графические эффекты (например, появление предупреждающих объектов).
3. Запись всех параметров в базу данных реального времени. По запросу оператора из базы может быть считана информация за произвольный период с необходимой детализацией и обработкой (суммирование, усреднение и т.п.). Результаты выводятся в виде графиков и таблиц, что даёт возможность сравнить несколько параметров одновременно. Запрос информации о произошедших событиях позволяет отслеживать нарушения технологического процесса как для отдельного параметра, так и для группы параметров и выявления причины их возникновения.
4. Ручное (оператором с компьютера) или автоматическое регулирование температуры и влажности, управление прочими устройствами (освещение, регулирующие клапаны и т.д.).

Предлагаемая структура системы мониторинга, диспетчеризации и автоматизации тепличного хозяйства построена по принципу максимального приближения локальных управляющих устройств к объекту управления и называется распределённой системой. Распределённая система позволяет значительно снизить затраты на монтажные работы, кабельную продукцию и время производства работ.

Персональный компьютер АРМ оператора и микроконтроллеры через блоки согласования объединены в общую сеть и работают под управлением сети MicroLAN. Блок согласования подключается к последовательному порту компьютера и выполняет функции преобразователя интерфейсов 1-Wire в RS-232 и наоборот. По интерфейсу 1-Wire происходит опрос входных параметров сетевых контроллеров для диспетчеризации и управления.

2. Смесительное устройство

Для поддержания требуемой влажности воздуха и почвы в теплицах комбината, необходима вода для полива. Чтобы уменьшить влияние распыляемой воды на температуру воздуха и почвы в теплице, необходимо, как уже отмечалось, распылять воду, с температурой которой равной температуре воздуха в теплице. Для получения воды необходимой температуры используется смесительное устройство.

2.1. Математическая модель смесительного устройства

Смесительное устройство представляет собой емкость объемом .

Рис. 2.1. Смесительное устройство.

Бак наполняется с помощью двух потоков горячей и холодной воды, имеющих переменные мгновенные расходы  и . Температуры входных потоков равны соответсвенно  и . Выходной поток имеет массовую скорость истечения . Содержимое бака перемешивается так, что температура выходного потока должна составлять .

Уравнения баланса масс для бака имеют следующий вид [3]:

Мгновенный расход выходного потока зависит от высоты  следующим образом:

,

где  – экспериментальная константа. Так как бак имеет постоянную площадь поперечного сечения , то можно записать:

;

тогда уравнения баланса масс примут следующий вид:

Рассмотрим случай установившегося состояния, когда все величины являются постоянными: ,  и  – расходы,  – объем и  – температура воды в баке. Тогда выражения (2.4), (2.5) и (2.6) можно записать в следующем виде:

,

,

Предположим, что возникли небольшие отклонения от установившегося состояния:

где  и  – входные переменные (управляющие воздействия), а  и  – переменные состояния. Полагая, что указанные параметры являются малыми, линеаризируя (2.5) и (2.6), получим:

Подставляя (2.7) в уравнения (2.8) и (2.9), получим:

Введем параметр время заполнения бака, равный:

Запишем систему в переменных состояния:

где  и .

Если определить выходные переменные в виде:

то можно записать уравнение выходной переменной:

где

Матрицы А,В и С будут иметь следующий вид:

Так как расходы потоков равны: , а температуры – , , , то

согласно формуле (2.10)

Подставляя численные значения параметров в (2.12), получим:

Представим объект управления в виде структурной схемы:

Рис. 2.2. Структурная схема объекта управления.

Как видно из рис. 2.2 смесительное устройство является многосвязным объектом.

2.2. Синтез замкнутой системы управления смесительным устройством

Регулирование смесительным устройством, производится следующим образом. Расход выходного потока регулируется расходом потока 2 холодной воды. Если выходная температура отличается от желаемого значения, регулируется расход потока 1 горячей воды.

Рис. 2.3. Схема замкнутой системы управления смесительным устройством.

На рис. 2.3 показана блок-схема системы управления. Так как поток 1 имеет более высокую температуру, то температура воды в баке более чувствительна к регулированию потока 1. В результате расходом потока холодной воды более удобно регулировать выходной расход. Однако, поскольку расход потока горячей воды также воздействует на выходной поток, а расход холодной воды – на его температуру, то необходимо учитывать взаимное влияние контуров.

С учетом изложенного выше структурная схема объекта управления имеет следующий вид:

Рис. 2.4. Преобразованная структурная схема объекта управления.

Как видно из рис. 2.4 передаточные функции объекта управления представлены следующими выражениями:

2.2.1. Настройка и моделирование отдельных контуров системы

В ряде практических случаев реальные контуры системы управления электропривода (СУ ЭП) могут быть сведены к простейшим контурам второго или третьего порядка. В этом случае применим метод настройки на оптимум по модулю. Смысл термина “настройка на оптимум по модулю” состоит в том, что стремятся в широкой полосе частот сделать модуль АЧХ замкнутой системы близким к единице [4].

Вначале рассмотрим контура замкнутой системы без учета взаимного влияния. Структурные схемы контуров представлены на рис. 3.5, 3.6.

Рис. 2.5. Структурная схема контура стабилизации температуры выходного потока.

Рис. 2.6. Структурная схема контура стабилизации расхода выходного потока.

Так как объект управления по каждому из контуров представляет собой инерционное звено первого порядка, то в этом случае необходимо и достаточно использовать ПИ-регулятор с передаточной функцией:

Произведем расчет передаточных функция и коэффициентов усиления всех блоков, входящих в состав замкнутой системы.

Так как максимальное напряжение на входе АЦП , то коэффициент передачи усилителя напряжения (УН) составит:

Передаточная функция сервопривода имеет вид:

,

где  определяется как:

,

– коэффициент усиления датчика положения:

,

Подставляя (2.16) в (2.15), получим

постоянную времени сервопривода найдём следующим образом:

,

– номинальное время полного хода выходного вала, с, следовательно

Подставляя (2.17) и (2.18) в (2.14) получим:

,

Коэффициент передачи регулирующего органа равен:

;

Так как расход выходного потока равен:

,

то коэффициент пересчёта равен:

,

Согласно формулам (2.13) и (2.19) и с учетом того, что :

Моделирование производилось в среде SIMULINK 4 пакета прикладных программ MATLAB версии 6.1.0.450 Release 12. К моделированию была представлена схема, изображенная на рис. 3.8.

Рис. 2.7. Схема для исследования работы контуров без учета взаимного влияния.

Результаты моделирования отдельных контуров представлены на рис. 2.8, 2.9.

Рис. 2.8. Переходной процесс в контуре стабилизации температуры без учета взаимного влияния контуров.

Рис. 2.9. Переходной процесс в контуре стабилизации расхода выходного потока без учета взаимного влияния контуров.

2.2.1 Исследование взаимного влияния контуров

Так как контура исследуемой системы находятся во взаимном влиянии, то при учете этого обстоятельства структурная схема принимает следующий вид:

Рис. 2.10. Схема для исследования взаимного влияния контуров.

В этом случае результаты моделирования имеют вид, представленный на рис. 2.12, 2.13.

Рис. 2.11. Переходной процесс в контуре стабилизации температуры с учетом взаимного влияния контуров.

Рис. 2.12. Переходной процесс в контуре стабилизации температуры с учетом взаимного влияния контуров.

По переходным характеристикам системы представленной на рис. 2.11 можно сделать вывод о том, что учет взаимного влияния контуров приводит к резкому увеличению перерегулирования в контуре стабилизации температуры выходного потока.

Для компенсации взаимного влияния контуров используется корректирующие перекрёстные связи W_рк1 и W_рк2 между каналами регулирования, которые компенсируют перекрёстные связи объекта управления рис. 2.4 [5].

Для определения передаточных функций компенсационных регуляторов W_рк1 и W_рк2 , воспользуемся формулой Мейсона. Запишем передаточную функцию замкнутой системы для канала 1-2 , из точки  в точку [1].

где  – передаточная функция i-го прямого пути из точки  в точку ;

k – число прямых путей из точки  в точку ;

– передаточная функция j-го замкнутого контура;

m – число замкнутых контуров.

Рис. 2.13. Структурная схема управления смесительным устройством.

Рассматриваемая система имеет два прямых пути из точки  в точку :

и пять замкнутых контуров:

Подставляя (2.24)-(2.30) в (2.23) и решая полученное уравнение относительно , получим:

Так как , то из (2.31) имеем:

Аналогичным образом находится передаточная функция .

Рис. 2.14. Схема для исследования компенсации взаимного влияния контуров.

Рис. 2.15. Переходной процесс в контуре стабилизации температуры с компенсацией взаимного влияния контуров.

Рис. 2.16. Переходной процесс в контуре стабилизации расхода выходного потока с компенсацией взаимного влияния контуров.

2.3. Учет влияния возмущений

На вход системы управления смесительным баком действуют возмущения в силу того, что расходы и температуры потоков  и  не постоянны. Обычно возмущения не превышают 10% полезного сигнала. В связи с этим обстоятельством добавим на вход системы возмущающее воздействие [5].

Рис. 2.17. Схема для исследования влияния возмущений на работу системы.

При моделирование схемы, представленной на рис. 2.17, получили следующие переходные характеристики.

Рис. 2.18. Переходной процесс в контуре стабилизации температуры с учетом возмущений.

Рис. 2.19. Переходной процесс в контуре стабилизации расхода выходного потока с учетом возмущений.

Рис. 2.20. Ошибка в установившемся режиме в контуре стабилизации температуры выходного потока с учетом возмущений.

Рис. 2.22. Ошибка в установившемся режиме в контуре стабилизации расхода выходного потока с учетом возмущений.

Как видно из результатов моделирования (рис. 2.18 – 2.22), замкнутая система, оснащенная компенсационными регуляторами, в установившемся режиме обеспечивает точность, удовлетворяющую техническому заданию.

Так как замкнутая система сама по себе хорошо сглаживает входные помехи, то в данном случае нет необходимости в синтезе наблюдателя Калмана-Бьюси.

Структурная и функциональная схемы САУ смесительного устройства представлены в приложении (ЦТРК 2101.980901.0000 Э01, ЦТРК 2101.980901.0000 Э01)

2.4. Разработка функциональной схемы

Сигналы от датчиков температуры и расхода выходного потока смесительного устройства 1а, 2а, установленных на выходной трубе смесительного устройства, поступают на преобразователи 1б и 2б, соответственно. Затем сигналы попадаются на устройства управления 1в и 2в, которые через магнитные пускатели 1г и 2г и двигатели 1д и 2д воздействует на регулирующие органы, изменяющие расходы, поступающих в смеситель потоков горячей и холодной воды.

2.5. Выбор исполнительных устройств

Исполнительные устройства (ИУ) состоят из двух функциональных блоков: регулирующего органа (РО), непосредственно действующего на процесс изменением количества подаваемого вещества или энергии, и исполнительного механизма (ИМ), предназначенного для управления регулирующим органом в соответствии с командной информацией, получаемой от управляющего устройства. Выходным параметром ИУ является расход вещества или энергии. Для регулирующих органов, которые управляют расходом вещества, используются однооборотные или многооборотные исполнительные механизмы. Момент, развиваемый ИМ должен быть больше реактивного момента, обусловленного стремлением потока закрыть заслонку. Превосходство момента исполнительного механизма над реактивным моментом объясняется необходимостью учёта трения в сальниках и подшипниках скольжение регулирующего органа.

Таким образом:

,

,

где  – коэффициент, зависящий от угла поворота заслонки,

– максимальный угол, обеспечивающий максимальный расход вещества,

– перепад давления на диске заслонки.

– диаметр заслонки.

Подставив численные значения:

; ; ,

найдём момент, развиваемый ИМ:

.

В качестве исполнительного механизма будем использовать однооборотные двигатели МЭО, предназначенные для приведения в действие и перемещения различных регулирующих органов: задвижек, заслонок, затворов, клапанов, кранов и др.

Отличительными характеристиками таких двигателей являются:

• большой пусковой момент на выходном валу , что обеспечивает высокие динамические характеристики механизма;
• малый выбег выходного вала механизма, за счёт самотормозящейся передачи;
• малый люфт выходного вала, что обеспечивает высокую точность регулирования во времени;
• возможность кратковременной работы двигателя в стопорном режиме за счёт специальной конструкции двигателя, что позволяет повысить живучесть объекта управления в аварийных ситуациях;
• наличие в составе механизма датчика положения выходного вала (токовый, индуктивный или реостатный), концевых и путевых микропереключателей с серебряными контактами, что позволяет формировать дискретную информацию о крайних и промежуточных положениях рабочего органа арматуры и аналоговую (цифровую) информацию о динамики его перемещения;
• наличие в составе механизма механических ограничителей полного хода выходного органа позволяет предохранить арматуру от механических повреждений при отказе концевых микропереключателей.

Структура ИМ состоит из усилителя мощности, электрического двигателя, редуктора, датчика положения.

По результатам расчётов был выбран следующий тип двигателя:

Для стабилизации влажности воздуха .

Этот двигатель обладает следующими техническими характеристиками:

1. Номинальный крутящий момент на выходном валу: .
2. Полный ход выходного вала:
3. Номинальное время полного хода выходного вала: .
4. Напряжение питания: ,  или .
5. Потребляемая мощность: .
6. Габаритные размеры: .
7. Масса: .

Работа такого исполнительного механизма осуществляется в “старт-стопном” режиме. При этом в МК вычисляется направление и требуемый угол поворота заслонки и включается двигатель, который начинает поворачивать регулирующий орган. Одновременно с этим, происходит измерение текущего положения заслонки и сравнение его с заданным. Как только угол поворота достигнет требуемого значения, двигатель будет остановлен.

2.6. Выбор датчиков

Датчики предназначены для измерения параметров, подлежащих контролю или управлению. В системе управления смесительным устройством используются датчики расхода воды и температуры.

В качестве датчика температуры используется ТСМ-012, предназначенный для измерения температуры жидких и газообразных сред.

Основные технические характеристики:

1. Диапазон измерения:.
2. Сопротивление:.
3. Основная погрешность: .
4. Класс допуска: .
5. Показатель термической активности: .
6. Давление рабочей среды: .
7. Номинальная статическая характеристика: .
8. Выходной сигнал:

В качестве датчика расхода воды используется вихреакустический преобразователь объемного расхода с ультразвуковым детектированием вихрей Метран-ЗООПР. Предназначен для технологического и коммерческого учета расхода и объема воды и водных растворов в составе теплосчетчиков или счетчиков-расходомеров, а также в составе систем АСУТП и АСКУЭ.

Основные технические характеристики:

1. Измеряемые среды: вода (питьевая, теплофикационная, техническая, речная и т.п.) и водные растворы, кроме абразивных, с вязкостью до 2-10 6 м2/с (2 сСт).
2. Диапазон температур измеряемой среды: .
3. Избыточное давление измеряемой среды в трубопроводе: .
4. Диаметр условного прохода Dy трубопровода: .
5. Пределы измерений: .
6. Динамический диапазон: .
7. Предел относительной погрешности измерений объема: .
8. Выходной сигнал:.

2.7. Выбор микроконтроллера

Центральным узлом блока нижнего уровня является микроконтроллер, который управляет всеми функциональными частями блока, а также выполняющий функции предварительной обработки сигнала. Выбор его должен осуществляться исходя из требований к точности представления и обработки сигнала, а также требований к наличию в его составе некоторых дополнительных возможностей, необходимых для реализации блока нижнего уровня СУУ.

Компания ATMEL — один из мировых лидеров в производстве широкого спектра микросхем энергонезависимой памяти, FLASH-микроконтроллеров и микросхем программируемой логики, взяла старт по разработке RISC-микроконтроллеров в середине 90-х годов, используя все свои технические решения, накопленные к этому времени [8].

AVR-архитектура, объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр- аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды. 32 регистра общего назначения образуют регистровый файл быстрого доступа, где каждый регистр напрямую связан с АЛУ. За один такт из регистрового файла выбираются два операнда, выполняется операция, и результат возвращается в регистровый файл. Все микроконтроллеры AVR имеют встроенную память программ с возможностью внутрисхемного программирования через последовательный интерфейс.

Для целей управления микроконтроллеры AVR делает привлекательным их хорошо-развитая периферия, которая включает в себя: таймеры-счётчики, широтно-импульсные модуляторы, поддержку внешних прерываний, аналоговые компараторы, встроенный АЦП, параллельные порты ввода и вывода, интерфейсы, сторожевой таймер и устройство сброса по включению питания. Компания ATMEL предлагает бесплатную программную среду AVR-studio для отладки программ в режиме симуляции на программном отладчике, а также для работы непосредственно с внутрисхемным эмулятором.

Все эти качества превращают AVR-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения современных, высокопроизводительных и экономичных контроллеров различного назначения.

В рамках единой базовой архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на три подсемейства:

• Classic AVR — основная линия микроконтроллеров с производительностью отдельных модификаций до 16 MIPS;
• mega AVR для сложных приложений, требующих большого объема памяти;
• tiny AVR — низкостоимостные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении.

Для выбора конкретного микроконтроллера из всего модельного ряда AVR проанализируем техническое задание и структурную схему. Микроконтроллер должен содержать: аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) для возможности получения задания через потенциометр; USART (универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик) для связи контроллера с автоматизированным рабочим местом (ЭВМ); таймер с режимом широтно-импульсной модуляции.

Встроенные АЦП появились только в микроконтроллерах AT90S8534 и AT90S8535, семейства classic AVR, следовательно, младшие микроконтроллеры не пригодны для использования в данном проекте. Однако существующий у этих микроконтроллеров режим ШИМ имеет один существенный недостаток: частота ШИМ может принимать только несколько фиксированных значений в зависимости от предделителя. Так же необходимо отметить, что это последние микроконтроллеры данного семейства и компания ATMEL их больше не производит.

Все вышесказанное заставляет нас обратиться к семейству mega AVR, где самым подходящим (т.е. обладающий всеми перечисленными свойствами) является микроконтроллер ATmega 16.

Перечислим его основные свойства:

• память программ 16 Кб (10000 циклов перезаписи);
• память данных 512 б;
• 32 8-разрядных регистров общего назначения;
• 2 востренных перемножителя;
• 2 8-разрядных таймера с раздельными предделителями;
• 1 16-разрядный таймер с раздельным предделителям и режимом захвата;
• программируемый сторожевой таймер;
• 4 канала ШИМ;
• 8-канальный встроенный АЦП;
• 4 порта ввода-вывода
• USART (универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик);
• SPI (последовательный периферийный интерфейс).

Рис 2.23. Разводка контактов для ATmega 16 в корпусе PDIP

Внешние выводы микроконтроллера:

• VCC и GND (общий) – клеммы подключения источника питания цифровых элементов;
• AVCC, AGND (общий провод для аналоговых входов АЦП), AREF – питание и опорное напряжение АЦП и его мультиплексора;
• RESET – сигнал внешнего сброса (низкий уровень длительностью более 50 нс), при включении питания сброс микроконтроллера производится автоматически
• XTAL1 и XTAL2 – соответственно вход и выход тактового генератора (для подключения частотозадающего кварцевого резонатора и общей синхронизации с другими устройствами), аналогичные электроды вспомогательного генератора асинхронного режима таймера 2 – выводы PC6 и PC7;
• PA0-PA7, PB0-PB7, PC0-PC7, PD0-PD7 – 32 линии ввода-вывода, объединены в 4 восьмиразрядных порта (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD. Их функции дублируются входами и выходами встроенных в микроконтроллер периферийных устройств.
• AREF – опорное напряжения АЦП.

Альтернативные функции выводов микроконтроллера:

• Т0, Т1 – входы таймерв/счетчиков от внешнего источника импульсов,
• AIN0, AIN1 – положительный и отрицательный выходы аналогового компаратора,
• SS, MOSI, MISO, SCK – выводы для подключения SPI устройств,
• RXD, TXD – вход и выход блока UART,
• INT0, INT1 – входы для внешних источников прерываний,
• OC1B, OC1A, OC2 – выходы таймеров/счетчиков,
• ICP – вход защелки (ловушки) таймера/счетчика,
• ADC0-ADC7 – входы каналов АЦП,
• TOSC2, TOSC1 – входы внешних осцилляторов для таймеров/счетчиков.

Имеет Flash-память объемом 8 Кбайт, а также встроенную EEPROM-память объемом 512 байт и такую же по объему SRAM-память. Все это позволяет создавать на его основе достаточно эффективные приложения, с возможностью сохранять некоторые параметры процесса в энергонезависимой памяти [8].

Таймер T/C1 – 16-битный. Он обладает хорошими возможностями для использования его в качестве широтно-импульсного преобразователя (ШИМ). Для его настройки используются несколько регистров. В них мы можем задать режим работы таймера, скважность генерируемых импульсов, частоту синхронизации и т.д. Временные диаграммы работы счетчика в режиме широтно-импульсного преобразователя приведены на рис. 2.24.

Рис. 2.24. Временные диаграммы работы счетчика в режиме ШИМ.

Поясним кратко его работу. 16-разрядный счетчик подсчитывает каждый импульс, поступающий на его вход с делителя частоты. При этом сначала он считает вверх (то есть, прибавляя единицу на каждом шаге), а по достижении верхнего значения FF он начинает считать вниз (то есть, вычитая единицу на каждом шаге). При этом если значение в регистре TCNT1 меньше OCR1, на выходе ШИМ преобразователя (PWM Output) устанавливается единица. Если же значение регистра TCNT1 превышает содержимое OCR1, на выходе ШИМ преобразователя устанавливается логический ноль. Это позволяет генерировать импульсы с заданной частотой и скважностью для управления аналоговыми исполнительными механизмами. В нашем случае к его выходу подключается усилитель мощности, питающий ИМ.

2.8. Разработка принципиальной схемы.

Так как датчики ТСМ-012 и Метран-ЗООПР имеют токовый выход с максимальным значением 20мА. Поэтому перед подачей на вход микроконтроллера его необходимо преобразовать в напряжение и нормализовать. Схема блока согласования уровней сигналов приведена на рис. 2.26. В качестве ОУ используется прецизионный операционный усилитель К140УД17 с низким дрейфом нуля и малым напряжением смещения [10].

Рис. 2.25. Операционный усилитель К140УД17.

Таблица 2.1. Основные параметры ОУ К140УД17.

Рис. 3.25. Схема блока согласования.

Операционный усилитель К140УД17 требует для своего питания стабильного напряжения номиналом В., поучаемой с помощью трансформатора с двумя вторичными обмотками, выпрямителя VD7, VD8, VD9, VD10 и двух идентичных стабилизаторов напряжения.

Рис. 2.27. Схема стабилизатора напряжения на В.

Исполниетельные механизмы требуют для своей работы высокого напряжения 220В, а также потребляют достаточно большую мощность. Для формирования рабочих напряжений на них необходимо использовать соответствующие усилители мощности, реализованные на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT).

IGBT представляют собой гибрид биполярного и полевого транзистора и сочетают в себе все их положительные качества. IGBT имеют большую коммутируемую мощность, высокие рабочие частоты, малые статические и динамические потери, малую мощность управляющего сигнала. Несмотря на то, что скорости переключения IGBT достаточно высоки, они включаются все же медленней, чем МОП-транзисторы. IGBT имеют затяжку тока при выключении, что ограничивает частоты переключения с ШИМ и в других ключевых схемах пределом около 50кГц.

Во входной цепи IGBT-транзисторов присутствует достаточно большая емкость, наличие которой связано с технологией производства подобных приборов. Для ее перезаряда требуется специальным образом сформированное напряжение. Для этих целей промышленностью выпускаются специализированные микросхемы драйверов. Их главное назначение – обеспечение выходного тока, достаточного для быстрого перезаряда входных емкостей транзистора, и как следствие, транзистор может работать на больших частотах. В качестве драйвера предлагается использовать микросхему IR2118 от фирмы International Rectifier.

Для питания выходных каскадов силовой части блока необходимо наличие постоянного напряжения величиной 220 В, которое формируется с помощью двухполупериодного выпрямителя, оснащенного сглаживающим фильтром, выполненном на электролитическом конденсаторе.

Рис. 2.28. Схема выпрямителя.

Основное питающее напряжение схемы +5 В. Для его формирования используется схема представленная на рис. 3.30.

Рис. 2.29. Схема стабилизатора +5В.

АЦП микроконтроллера ATmega 16 требует присутствия внешней схемы, обеспечивающей стабильное напряжение U_AREF=4,096В. В качестве источника опорного напряжения используется микросхема TL431 (рис.3.31) – прецизионный регулируемый источник опорного напряжения, имеющий в своем составе достаточно сложную схему термокомпенсации, и позволяющий получить точно заданное значение выходного опорного напряжения, стабильное в широком диапазоне температур [10].

Рис. 2.30. Микросхема TL431.

Принципиальная схема САУ смесительного устройства представлена в приложении (чертеж ЦТРК 2101.980901.0000.Э03).

3. Сопряжение верхнего и нижнего уровней АСУ тепличного комбината

Одной из составных частей современного электронного оборудования стали коммуникационные сети. Они занимают серьезное место в области использования персональных компьютеров, периферийных устройств, офисного оборудования, управления инженерным оборудованием зданий, контроля производственных процессов и даже в таких областях, как управление различными приборами автомобилей и управление бытовой техникой. Однако, в зависимости от области применения требования к сетям совершенно различны. Так как между нижним и верхним уровнями АСУ тепличного комбината происходит постоянный обмен информацией о ходе технологического процесса, поэтому необходимо организовать её надежную передачу.

3.1. Выбор сети

Одним из важных параметров любой сети является скорость передачи информации, выражаемая в битах в секунду [bps], Если в течение долей секунды должны быть переданы миллионы бит информации, как в случае использования компьютерных сетей, то необходимо использование высокоскоростной архитектуры, поддерживающей передачу данных со скоростями порядка 10 миллионов бит в секунду. Такие задачи чаще всего решаются путем использования сети ETHERNET. Сети ETHERNET могут расширяться фактически бесконечно, однако практически размеры сети ограничены финансовыми параметрами, такими как стоимость репиторов, мостов и маршрутизаторов, а также увеличивающейся с ростом сети нестабильностью ее работы и увеличением времени отклика. Существуют также и другие системы, позволяющие обеспечить близкие параметры по скорости передачи информации. Одним из таких примеров являются системы, построенные на основе интерфейса RS485.

Одно из важных свойств сети состоит в минимальных затратах, необходимых для прокладки линий связи, по которым информация из различных точек будет поступать на центральный пульт управления. С центрального пульта может осуществляться контроль за состоянием различных датчиков и, наоборот, могут передаваться сигналы управления открыванием дверей, включением и выключением света, кондиционеров, или подаваться сигналы тревоги, если, например, разбито окно, открыта дверь в недопустимое время или произошел выход процесса за технологические границы. Аналогичная концепция может использоваться для контроля за производственным оборудованием и дистанционного управления им из одной точки.

Для всех этих областей применения характерны некоторые общие свойства, предъявляемые к параметрам сети:

1. Большое и непредсказуемое число точек расположения приборов.
2. Значительная протяженность линий связи.
3. Небольшой объем передаваемых данных.
4. Некритичность к скорости передачи данных.

Однопроводная информационная сеть MicroLAN имеет следующие преимущества:

1. Простое и оригинальное решение адресуемости абонентов.
2. Несложный протокол.
3. Простая структура линии связи.
4. Легкое изменение конфигурации сети.
5. Значительная протяженность линий связи.
6. Исключительная дешевизна всей технологии в целом.

3.2. Выбор типа линии связи

MicroLAN представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных и один возвратный (или земляной) провод. Таким образом, для реализации среды обмена этой сети могут быть использованы, как доступные кабели, содержащие неэкранированную витую пару той или иной категории, так и обычный телефонный провод. Подобные кабели при их прокладке не требуют, как правило, наличия какого-либо специального оборудования. Ограничение максимальной длины однопроводной линии, реализуемое без специальных дополнительных вспомогательных устройств (повторителей), регламентировано на уровне 300м. Как правило, однопроводные линии связи сети MicroLAN имеют структуру, состоящую из трех основных проводников: DATA – шина данных, RET – возвратный или земляной провод, EXT_POWER – внешнее питание не только обслуживаемых ведомых устройств, но и внешних относительно них цепей датчиков и органов управления. В зависимости от способа прокладки, сопряжения с ведомыми устройствами и используемых при прокладке материалов, в соответствии с табл. 3.1 различают три основных варианта качества организации 1-Wire сетей, каждый из которых подразумевает использование особой технологии и аксессуаров при реализации линии [9].

Таблица 3.1. Варианты организации 1-Wire сетей.

При анализе требований к информационной сети АСУ тепличного комбината были отмечены следующие факторы:

1. Длина линии составляет порядка 300 метров.
2. Количество ведомых устройств – до 50 шт.
3. Скорость передачи данных не имеет существенного значения, так как тепличный комбинат представляет собой сильно инерционный объект с постоянными времени порядка 2000 секунд.

Исходя из вышеперечисленных факторов, в информационной сети АСУ тепличного комбината будет использоваться IEEE1394(FireWire) кабель.

Firewire является эластичным огнеупорным кабелем с двойной изоляцией. Он состоит из двух индивидуально изолированных витых пар, плюс два отдельных проводника для подвода питания. Структура такой линии должна использовать один из проводов для передачи данных (DATA), второй в качестве возвратного проводника или земли (RETURN). Эти два сигнала передаются, как правило, по одной из витых пар. Третий проводник необходим для передачи энергии к однопроводным компонентам (EXT_POWER), а четвертый не используется (зарезервирован для применений пользователя).

3.3. Идентификация устройств в сети MicroLAN

Благодаря встроенному сетевому контроллеру, все приборы MicroLAN пригодны для использования в сети с момента своего выпуска. При производстве гарантируется уникальность сетевого адреса для каждого выпускаемого прибора. В сети MicroLAN не существует опасности конфликта сетевых адресов и недостаточности адресного пространства. Каждый прибор, предназначенный для работы в составе сети MicroLAN, содержит страницу данных, необходимую для идентификации прибора, и называемую областью ПЗУ. В эту область при производстве микросхемы записывается с помощью лазерного луча уникальный для каждой микросхемы серийный номер. Занесение этого кода очень строго контролируется в процессе производства, и фирма Dallas Semiconductor гарантирует уникальность серийного номера для каждой микросхемы. Поэтому именно значение серийного номера используется для идентификации прибора в составе сети и для управления доступом к отдельным приборам. Кроме серийного номера в область ПЗУ заносится групповой код, отражающий функциональное назначение микросхемы, и контрольная сумма всех данных в области ПЗУ.

После подачи питания ведущему шины доступны только приборы, подключённые к основному стволу сети. Для взаимодействия с остальными устройствами ведущий шины должен изучить топологию сети. Поэтому на первом этапе выполняется анализ только адресуемых ключей в сети. Начиная с основного ствола, ведущий шины последовательно опрашивает и записывает регистрационные номера всех адресуемых ключей. Затем найденные ключи последовательно открываются, и происходит дальнейший опрос ветвей второго уровня. Обнаруженные на них ключи также регистрируются и по очереди открываются. После этого становится возможным опрос ветвей третьего уровня. Процедура продолжается до окончательного построения топологии сети в памяти контроллера. На следующем этапе ведущий идентифицирует оставшиеся приборы. Для этого, опираясь на изученную топологию переключателей сети, он последовательно открывает все ветви и записывает регистрационные номера обнаруженных приборов. После построения точной топологии сети MicroLAN становится возможен быстрый доступ к каждому прибору. Ведущий открывает все ключи на пути к нему, отменяя при этом выбор всех остальных приборов на линии.

3.4. Выбор топологии сети

Основой архитектуры сетей MicroLAN, является топология общей шины, когда каждое из устройств подключено непосредственно к единой магистрали, без каких-либо каскадных соединений или ветвлений. При этом в качестве базовой используется структура сети с одним ведущим или мастером и многочисленными ведомыми. Конфигурация любой сети MicroLAN может произвольно меняться в процессе ее работы, не создавая помех дальнейшей эксплуатации и работоспособности всей линии в целом, если при этих изменениях соблюдаются основные принципы организации однопроводной шины. Эта возможность достигается благодаря присутствию в протоколе 1-Wire интерфейса специальной команды поиска ведомых устройств (Поиск ПЗУ), которая позволяет быстро определить новых участников информационного обмена. Стандартная скорость отработки такой команды составляет около 75 узлов сети в секунду. Часто при организации больших однопроводных сетей, с целью удобства проводки линии связи, уменьшения ее протяженности или снижения электрической нагрузки на линии благодаря уменьшению одновременно работающих на ней устройств, необходимо обеспечить древовидную структуру 1-Wire линии. Для этого используют ветвления сетей MicroLAN одного или нескольких уровней. Основным элементом при построение таких ветвей является обычный адресуемый ключ типа DS2406P, который обеспечивает ветвление благодаря коммутации возвратного провода однопроводной линии.

Общая схема подключения устройств с помощью однопроводной сети изображена на рис. 3.1. Одна или несколько однопроводных сетей подключаются к COM портам компьютера с помощью контроллера. К контроллеру подключается основная линия однопроводной сети, максимальная длина которой 300 метров (при необходимости линию можно вынести на несколько километров с помощью двух преобразователей RS232-485). Реальная длина зависит от уровня помех и от количества устройств. К основной линии подключаются датчики температуры и ключи дискретного ввода/вывода с помощью отводов длиной не более 3 метров.

Рис. 3.1. Общая структура сети MicroLAN.

В наиболее удалённой точке каждой ветви подключается микросхема iButton™, служащая меткой ветви. Метка позволяет контролировать прохождение электрического сигнала и целостность ветви. Для обеспечения надёжности передачи по сети MicroLAN в условиях нестабильного электрического контакта передача осуществляется в виде отдельных пакетов данных. В информационной однопроводной сети тепличного комбината Каждый пакет завершается контрольной суммой, что позволяет ведущему шины сразу регистрировать ошибки и принимать меры для повторной передачи.

Благодаря наличию в составе любого устройства, снабженного сетевой версией 1-Wire интерфейса, индивидуального уникального адреса (отсутствие совпадения адресов для приборов, когда-либо выпускаемых Dallas Semiconductor, гарантируется самой фирмой-производителем), сеть MicroLAN имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом каждый из таких приборов сразу готов к использованию в составе сетей MicroLAN, без каких-либо дополнительных аппаратно-программных модификаций. На рис. 3.2 приведена структура однопроводной сети АСУ тепличного комбината, где ML97U009 – мастер лини (см. пункт 3.7) ML00-12-035 блок питания (см. пункт 3.11), ML02A – метка линии (см. пункт 3.10), ML09 – адресуемый ключ (см. пункт 3.9), ML38Н – устройство измерения влажности и температуры (см. пункт 3.8), Z86E08 – микроконтроллер нижнего уровня АСУ тепличного комбинта.

Рис. 3.2. Структура однопроводной сети АСУ тепличного комбината.

3.5. Принципы работы однопроводной сети MicroLAN

Компоненты однопроводных сетей являются самотактируемыми полупроводниковыми устройствами, в основе обмена информацией между которыми лежит управление изменением длительности временных интервалов импульсных сигналов в однопроводной среде и их измерение. Передача сигналов, для 1-Wire интерфейса, асинхронная и полудуплексная, а вся информация циркулирующая в сети воспринимается абонентами либо как команды, либо как данные. Команды сети генерируются мастером и обеспечивают различные варианты поиска и адресации ведомых устройств, определяют активность на линии без непосредственной адресации отдельных компонентов, управляют обменом данными в сети.

3.6. Программное обеспечение сети MicroLAN

Особенно привлекательным качеством технологии MicroLAN является исключительная простота настройки, отладки и обслуживания сети практически любой конфигурации, построенной по этому стандарту. Действительно, для начала работы достаточно любого персонального компьютера, недорогого стандартного адаптера 1-Wire линии, а также свободно распространяемого фирмой Dallas Semiconductor программного пакета iButton-TMEX Viewer. Пакет iButton TMEX-Viewer позволяет с максимальным комфортом для разработчика идентифицировать любое из ведомых однопроводных устройств на линии MicroLAN и проверить в полном объеме правильность его функционирования в составе всей сети. Так же фирмой Dallas Semiconductor свободно распространяется профессиональный программный пакет разработчика iButton-TMEX SDK, являющийся универсальным средством для профессиональных программистов, который значительно упрощает процесс создания программ для обслуживания устройств с 1-Wire интерфейсом, подключенных через стандартные типы адаптеров к персональным компьютерам РС и некоторым типам карманных компьютеров. Он содержит комплект отлаженных драйверов и утилит для реализации полномасштабного однопроводного протокола. В качестве среды взаимодействия с разработчиком пакет iButton-TMEX SDK использует специальный стандартизованный программный интерфейс API. Кроме того, с fttp-сервера кампании Dallas Semiconductor свободно доступен ряд примеров реализации 1-Wire-протокола для микропроцессора Z86E08 компании Zilog а также готовые библиотеки функциональных программных модулей однопроводного интерфейса для различных программных платформ. Z86E08 входит в состав распределенной микроконтроллерной системы стабилизации микроклимата в теплицах, представляющей собой нижний уровень АСУ тепличного комбината.

3.7. Выбор ведущего адаптера 1-Wire линии

Некоторые виды адаптеров, которые позволяют наделить любой персональный компьютер РС возможностью обслуживать в качестве мастера сеть MicroLAN, выпускаются самой фирмой Dallas Semiconductor. К ним относятся адаптеры для параллельного порта типа DS1410E или для последовательных COM портов типа DS9097E, DS9097U. Часто в качестве ведущего однопроводной шины выступает не компьютер, а простейший универсальный микроконтроллер. Для организации его сопряжения с сетью MicroLAN используются различные программно-аппаратные методы. От простейшего, когда управляющая программа контроллера полностью реализует протокол 1-Wire интерфейса на одном из своих двунаправленных выводов, который подключен к однопроводной линии, до вариантов, позволяющих высвободить значительные ресурсы контроллера, благодаря использованию специализированных микросхем сопряжения с сетью MicroLAN. Такие микросхемы подключаются к контроллеру, играющему роль ведущего шины, через периферийные узлы ввода/вывода, входящие в состав любого универсального микроконтроллера.

В нашем случае, так как АСУ тепличного комбината подразумевает наличие персонального компьютера, в качестве ведущего мы будем использовать адаптер последовательного COM порта ML97U-009.

Адаптер ML97U-009 (см. рис. 3.2) предназначен для организации на базе персонального компьютера мастера, обеспечивающего обслуживание стандартных однопроводных устройств, подключаемых к 1-Wire-сети, построенной по технологии фирмы Dallas Semiconductor Corp., на базе последовательного СОМ-порта персонального компьютера. В основе прибора лежит микросхема DS2480B фирмы Dallas Semiconductor Corp., являющаяся универсальным драйвером для сопряжения 1-Wire-линии со стандартным последовательным портом. ML97U-009 сохраняет все электрические характеристики и функциональные особенности установленного в нем драйвера. ML97U-009 является модификацией адаптера DS9097U-009 фирмы Dallas Semiconductor Corp., используя в качестве встроенной метки прибор DS2502 (групповой код 09Н + 1024 бит однократно программируемой памяти EPROM) [9].

В качестве конструктива устройства ML97U-009 использована стандартная розетка разъема DB-9F с вмонтированным в корпус класса GC приемным разъемом-гнездом типа TJ6P4C (RJ-11), предназначенная для сопряжения 9-пинового последовательного СОМ-порта персонального компьютера с телефонной линией. Внутри корпуса разъема установлена печатная плата, содержащая все компоненты, необходимые для сопряжения последовательного порта с информационной 1-Wire-линией. Подключение однопроводной линии к печатной плате устройства обеспечивается с помощью стандартного приемного разъема-вилки типа TJ6P4C (RJ-11). Адаптер ML97U-009 имеет отдельный узел, выполняющий качественное преобразование напряжения высокого уровня (12В), снимаемого с отдельных, не задействованных для обмена информацией логических выводов СОМ-порта, до уровней (+5В), необходимых встроенным функциональным компонентам схемы прибора.

Вывод EXT_POWER приемного разъема-гнезда TJ6P4C (RJ-11), как правило, запитывается извне относительно потенциала возвратного провода RETURN, от стандартного сетевого трансформаторного блока питания. При этом, возможно использование как стабилизированных, так и нестабилизированных блоков питания. Подключение адаптера ML97U-009 к 1-Wire-линии обеспечивается через приемный разъем-гнездо RJ-11 (6р4с), размещенный на заднем торце его корпуса, с использованием монтируемой на кабеле стандартной телефонной вилки типа RT-11 (6р4с).

3.8. Выбор ведомых устройств

Устройство ML38H (см. рис. 3.2) является законченной ведомой 1-Wire-микросистемой для организации территориально рассредоточенного контроля температуры, влажности и освещенности. Она может являться элементарной ячейкой систем регистрации и регулирования климатических параметров, организованных с использованием однопроводных сетей MicroLAN по технологии фирмы Dallas Semiconductor. Микросистема ML38H предназначена для работы под управлением специализированного мастера (ведущего) однопроводной сети. В состав ML38H, входит три типа датчиков, каждый из которых обеспечивает контроль значений одного из трех климатических параметров окружающей устройство среды:

1. Для измерения относительной влажности в диапазоне от 0 до 100% с точностью 3% использован датчик HIH3610 фирмы Honeywell.
2. Датчик для контроля значения температуры окружающей среды в диапазоне от -55°С до +125°С с точностью 2°С непосредственно встроен в корпус DS
3. Для тестирования уровня освещенности используются показания фотоприемника ФД256, включенного в фотодиодном режиме. Значение сигнала от этого источника тока, преобразуемые в напряжение встроенным в схему ML38H резистивным шунтом, определяют уровень контролируемой освещенности в диапазоне от 0 до 100% с погрешностью -1%.

Каждый из внешних датчиков, входящих в состав ML38H, подключен к одному из входов аналого-цифрового преобразования микросхемы DS2438, что позволяет обеспечить по однопроводной линии MicroLAN свободный доступ к информации о величине выходного сигнала каждого из первичных преобразователей. Кроме того, дополнительный аналого-цифровой вход DS2438 используется для контроля уровня напряжения питания, получаемого всеми узлами микросистемы. Показания температурного датчика, встроенного в микросхему DS2438, а также значение уровня питания микросистемы, получаемые с дополнительного аналого-цифрового входа, используются обслуживающим микросистему ML38H программным обеспечением, с целью коррекции дополнительной погрешности показаний датчиков влажности и освещенности [9].

Устройство ML38H предназначено для использования в шинной структуре MicroLAN, состоящей из четырех проводников и реализованной на базе любых реально доступных информационных кабелей (витые пары 5 категории, плоский телефонный кабель, IEEE1394 (Firewire)).

3.9. Выбор приборов для ветвления сети

Адресуемые ключи представляют собой электронные ком­мутаторы, предназначенные для организации ветвлений в однопроводной сети MicroLAN. Информация, поступающая от мастера шины на вход ключа, может транслироваться в другую ветвь микролокальной сети. И, наоборот, информация из побочной ветви может быть передана через те же выводы в обратном направлении – к мастеру шины. Ключ не требует ис­точника питания. Он берет энергию непосредственно из шины данных. Так же, как и датчики температуры, адресуемые клю­чи в своем составе содержат ПЗУ, благодаря которому мастер может идентифицировать каждый включенный в шину ключ и обращаться к нему с командами. Способ коммутации отдельных ветвей MicroLAN иллюстрируется на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Коммутация ветвей сети MicroLAN.

В однопроводной сети тепличного комбината в качестве устройств ветвления используются устройства ML09 (см. рис. 3.2).

Устройство ML09 является законченным ведомым элементом, выполняющим функции ветвителя или коуплера однопроводной линии, при организации 1-Wire-сетей по технологии фирмы Dallas Semiconductor Corp.. Устройство ML09 предназначено для работы под управлением специализированного мастера (ведущего) 1-Wire-сети и может обеспечивать эффективное подключение локальных однопроводных линий к основной магистрали 1-Wire-сети. В основе конструкции ML09 лежит однопроводной компонент DS2409 фирмы Dallas Semiconductor Corp.. ML09 сохраняет все электрические характеристики и функциональные особенности установленного в нем однопроводного компонента.

В качестве конструктива устройства ML09 использована доработанная стандартная телефонная сдвоенная розетка типа TJ2-6p4c, предназначенная для крепления на стену. Помимо двух вмонтированных в корпус приемных телефонных разъемов-гнезд типа 6р4с, которыми стандартное устройство TJ2-6p4c, корпус ML09 содержит третий дополнительный приемный разъем-гнездо типа 6р4с (дополнительный выходной порт AUX), установленный на противоположном ребре корпуса розетки. Внутри корпуса розетки размещена печатная плата, содержащая схему сопряжения однопроводного компонента с различными сегментами информационной 1-Wire-линии. Печатная плата сопрягается с обслуживаемыми участками однопроводной линии (основным стволом сети и локальными ветвями) посредством трех приемных разъемов-гнезд. Каждый из приборов ML09 обеспечивает защиту встроенного однопроводного устройства со стороны подходящей 1-Wire-магистрали (порт 1W) от импульсных помех и сигналов высокого уровня в линии, а также выполняет качественное преобразование подводимого внешнего питания до рабочих уровней встроенных в него компонентов.

Подключение устройства ML09 к основному стволу однопроводной линии обеспечивается через левый приемный разъем-гнездо 6р4с (входной порт 1W). Подключение выходных сегментов однопроводной линий, коммутируемых устройством ML09 к основному стволу 1-Wire-линии, осуществляется следующим образом: Коммутация локальных ветвей с одновременным прерыванием единого ствола, подключенного между входным портом 1 и основным выходным портом MAIN [9].

Снабжение энергией устройств ML09 производится по отдельному проводу EXT_POWER, выделенному в общей структуре однопроводной линии, и запитанному относительно потенциала возвратного провода RETURN, от стандартного сетевого трансформаторного блока питания. Для того чтобы обеспечить надежную передачу энергии на длинные линии, уровень внешнего напряжения питания, поступающего к каждому устройству ML09, выбирается существенно большим уровня, необходимого для питания любых входящих в это устройство компонентов. Возможно использование как стабилизированных, так и не стабилизированных блоков питания.

3.10. Выбор меток линии

Устройства ML02A (см. рис. 3.2) являются законченными ведомыми элементами, выполняющими функции меток, при организации однопроводных 1-Wire-сетей по технологии фирмы Dallas Semiconductor Corp.. Они предназначены для работы под управлением специализированного мастера (ведущего) однопроводной сети. Благодаря использованию приборов семейства ML02A возможна:

• организация контроля целостности 1-Wire-линии;
• осуществление запитки 1 -Wire-линии от внешнего блока питания (подача энергии, в том числе от дополнительного источника питания, на шину EXT_POWER);
• реализация пассивной резистивной или резистивно-емкостной подтяжки шины DATA на конце или в начале линии для улучшения обмена в проблемных 1-Wire-сетях;
• стабилизация разницы потенциалов между шинами RETURN и EXT_POWER благодаря введению емкости высокого номинала в конце или середине линии (на большом расстоянии от места ее сопряжения с поставляющем энергию блоком питания).

В основе конструкции устройства ML02A лежит однопроводной компонент DS2502 фирмы Dallas Semiconductor Corp.. Прибор ML02A является специальной модификацией элемента ML02, с встроенной резистивно-емкостной цепью, которая предназначена для работы на проблемных 1-Wire-линиях, обслуживаемых мастером с динамически изменяемой активной. ML02A сохраняет все электрические характеристики и функциональные особенности установленных в них однопроводных компонентов (включая возможность использования паразитного питания). Устройство ML02A предназначено для использования в шинной структуре 1-Wire-линии, состоящей из четырех проводников (шин) и реализованной на базе любых реально доступных информационных кабелей (витые пары 5 категории, плоский телефонный кабель, IEEE1394 (Firewire) и т.д.). Подключение устройства ML02A к однопроводной линии обеспечивается через приемные разъемы-гнезда 6р4с, размещенные на их корпусе, с использованием монтируемой на кабеле стандартной телефонной вилки типа RT11 (6р4с). При этом следует применять специальный инструмент, обеспечивающий качественную заделку кабелей линии связи [9].

3.11. Выбор блока питания

Для функционирования приборов, входящих в состав однопроводной сети тепличного комбината, необходимо напряжение питание. Блок питания ML00С-12-0.35 (см. рис. 3.2) предназначен для обеспечения энергией автономных ведущих, ML-OEM-элементов и ML-OEM-ведомых приборов, при организации однопроводных 1-Wire-сетей по технологии фирмы Dallas Semiconductor Corp. Снабжение энергией всех компонентов 1-Wire-сети, как правило, производится по отдельному проводу EXT_POWER, выделенному в общей структуре однопроводной линии. Устройства ML00С-12-0.35 предназначены для запитки шины EXT_POWER 1-Wire-линии относительно потенциала возвратного провода RETURN. Запитка 1-Wire-линии производится посредством специально предназначенных для этого ML-OEM-сетевых меток типа ML02А. ML00С-12-0.35 строятся на базе стандартных сетевых трансформаторных блоков питания преобразующих сетевое напряжение ~220В±15% с частотой 50Гц. Для обеспечения надежной передачи энергии на длинные линии, уровень внешнего напряжения питания, вырабатываемый ML00С-12-0.35 и поступающий затем к ведущему и каждому ведомому устройству 1-Wire-сетей, выбирается существенно большим уровня, необходимого для питания любых входящих в эти устройства компонентов.

Конструктивно ML00C-12-0,35 собран в пластмассовом корпусе, выполненном в виде разъемного блока с жестко закрепленной штепсельной вилкой. Выходное напряжение подводится от ML00C-12-0,35 к потребителю через специальный шнур выходного напряжения.

Устройство ML00C-12-0,35 предназначено как для запитки не содержащих преобразователей энергии ведущих 1-Wire-сетей и ведомых ML-OEM-приборов однопроводной магистрали, так и непосредственно для подключения к шинной 1-Wire-структуре. Провод EXT_POWER, выделен в общей структуре однопроводной линии, и запитывается относительно потенциала возвратного провода RETURN, от устройства ML00C-12-0,35. Для введения энергии, поставляемой устройствами ML00C-12-0,35, в 1-Wire-линию, производится запитка через левый приемный разъем сетевых  ML-OЕМ-меток ML02А [9].

4. Визуализация и архивирование технологического процесса

Согласно технического задания необходимо разработать программу графического отображения технологического процесса с помощью SCADA системы. Графические средства делают возможным создание реалистичного операторского интерфейса, соответствующего контролируемому объекту. Таким образом, программой графического отображения могут пользоваться операторы, имеющие минимальный навык работы с компьютером.

4.1. Выбор SCADA системы

В настоящее время существует огромный выбор SCADA систем: TRACE MODE, Genesis, iHistorian, DSC и многие другие. На мой взгляд, наиболее перспективной является SCADA система TRACE MODE, разработанная в 1992 году российской фирмой AdAstra Research Group, Ltd. TRACE MODE позволяет добиться значительной экономии средств, затрачиваемых на АСУТП, при сохранении ее качества. Это достигается за счет следующих свойств системы.

Во-первых, TRACE MODE имеет одновременную поддержку, как современных западных и российских, так и старых советских контроллеров. Это позволяет производить поэтапное обновление аппаратных средств АСУТП предприятия. Вместо того чтобы выбрасывать еще жизнеспособное, но морально устаревшее или дряхлеющее оборудование, предприятие может заменять современными моделями лишь вышедшие из строя устройства. Таким образом, предприятие получает возможность сохранения своих оборотных средств за счет более равномерного распределения инвестиций по времени.

Во-вторых, TRACE MODE ориентирована на стандартные и легкодоступные, а потому и недорогие аппаратные и программные средства. Операционные системы MS DOS, Windows или Novell Netware, сетевые платы Ethernet и Arcnet, карты Sound Blaster есть на любом промышленном предприятии, они стоят недорого и любое предприятие располагает квалифицированными кадрами, способными их обслуживать. Это означает резкое сокращение непрямых расходов и т.н. “скрытой цены”, столь характерной для экзотических систем, использующих в качестве операционной системы Linux, QNX и т.д.

И, наконец, TRACE MODE экономична сама по себе. Использование труда только российских разработчиков, отсутствие накладных расходов, связанных с доставкой и таможенным оформлением – все это делает TRACE MODE доступной по стоимости любому промышленному предприятию, которое всерьез решило заняться проблемами автоматизации производства. По показателям цена/производительность TRACE MODE значительно превосходит зарубежные аналоги. Так, например, в АСУТП среднего размера, имеющей 1000 входов/выходов (I/O) типичным соотношением дискретных и аналоговых параметров 6:1, стоимость одного I/O составляет $ 1,72 (с учетом инструментальной системы и всех налогов), а в крупной системе автоматизации, имеющей 10.000 входов/выходов, стоимость одного I/O и вовсе ничтожна – $ 0,17. Аналогичные показатели западных SCADA-систем, составляют $ 20-25 и $ 2,0-2,5 за I/O, т.е. в 11-15 раз выше.

4.2. SCADA система TRACE MODE

В общем случае, система АСУ на предприятии включает в себя нескольких уровней:

1. уровень контрольно-измерительных приборов и аппаратуры (КИПиА);
2. уровень контроллеров (традиционные ПЛК и Softlogic);
3. уровень рабочих станций (АРМ);
4. уровень операторских мест руководства (супервизорный) и уровень управления предприятием (АСУП).

АСУ тепличного комбината включает в себя три первых уровня.

4.2.1 Общая структура и возможности TRACE MODE

Сама SCADA и Softlogic система состоит из двух основных частей – инструментальная среда разработки и исполнительные модули [11]. Среда разработки служит для описания проекта, программирования контроллера, операторских станций и создания операторского интерфейса. Исполнительные же модули выполняют всю текущую работу по проекту, созданному в среде разработки: получение, обработка, архивирование и визуализация данных. Исполнительные модули могут быть либо интегрированными, то есть выполнять несколько вышеперечисленных функций, либо специализированными и выполнять какую-либо одну функцию. На рис. 4.1 представлена основное окно программы отображения производственных процессов АСУ тепличного комбината. Более подробное описание этой программы см. пункт 4.3.

Рис. 4.1. Тепличный комбинат (Основная мнемосхема).

Программное обеспечение уровня SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) выполняет следующие функции:

• Визуализация – отображение информации о процессе на мнемосхемах в виде числовой информации, трендах, анимации, ActiveX компонентов и т.д. (Рис. 4.1);
• Обмен с контроллерами в реальном времени – получение информации от контроллеров по последовательному интерфейсу, сети Ethernet или по полевым шинам, первичная обработка этих данных, а также пересылка в контроллеры управляющей информации;
• Архивирование – сохранение информации в специальные промышленные архивы, основными требованиями к которым являются надёжность и быстродействие;
• Документирование процесса – создание отчётов по заранее созданным шаблонам с последующей их передачей по разным каналам обмена информации (распечатка, электронная почта, web-сайт);
• Получение и передача информации в другие программные пакеты – обмен оперативными и архивными данными со специализированным ПО, либо с ПО уровня АСУП;
• Неоперативная обработка информации – вычисление статистической информации, управление небыстрыми процессами;
• Управление тревогами – список тревог, фильтр событий, квитирование.

Термин Softlogic подразумевает:

• Использование контроллеров с PC-совместимой архитектурой. Программирование таких контроллеров может осуществляться написанием специфических программ на языках программирования типа ассемблер или С, а может осуществляться с помощью инструментальных пакетов на визуальных языках верхнего уровня, совместимых со стандартом МЭК61131-3 (Рис. 4.2), например на языке функциональных блоков или языке инструкций;
• Обеспечение связи с уровнем АРМ. Может быть автоматизировано с помощью интеграции SCADA и Softlogic систем. В этом случае не требуется совершать двойную работу по созданию каналов в контроллере, в АРМ и описанию обмена между ними;
• При необходимости ведение архивов, например когда связь между контроллером и АРМ устанавливается на сеансовой основе – дозвон по коммутируемым линиям;
• Возможность ОЕМ (производитель оригинального оборудования) проектов – совместных проектов производителей программного и аппаратного обеспечения. В этом случае заказчики приобретают конечный продукт, например контроллер, уже с предынсталлированным исполнительным модулем и инструментальной средой разработки, что значительно сокращает время и силы для подготовки оборудования к работе и сокращает издержки.

Рис. 4.2. Программирование контроллеров на языке функциональных блоков.

К дополнительным, теоретически не обязательным, но могущим оказаться необходимыми, функциям SCADA и Softlogic систем можно отнести следующие:

• Многоуровневое горячее резервирование – дублирование или троирование плат/модулей ввода-вывода, контроллеров, линий связи, архивов, операторских станций для увеличения надёжности работы объекта;
• Адаптивное регулирование – автоматическая периодическая или непрерывная подстройка коэффициентов контуров регулирования для оптимизации работы исполнительных механизмов, сокращения издержек и брака;
• Набор готовых функций для управления исполнительными устройствами, например мотором, задвижкой или клапаном;
• Web- и GSM-управление – удалённый мониторинг и управление через web и GSM сети для возможности непрерывного контроля и оперативного вмешательства в ситуацию;
• Документирование проекта – функция, облегчающая разработчику процесс создания проекта и внесения в него изменений путём сохранения информации о версиях проекта в удобовоспринимаемой форме;
• Мультиязычность – локализация инструментальной среды на несколько языков, а также возможность автоматического переключения языков проекта в зависимости от региональных настроек.

4.2.2. Исполнительные модули TRACE MODE

Исполнительные системы TRACE MODE включают в себя следующие программы:

• NT-МРВÔ – монитор реального времени;
• SupervisorÔ – аналог “монитора архива”;
• специальные утилиты просмотра архивов – UTIL-NT;

NT-МРВÔ предназначен для сбора, обработки, графической визуализации и управления технологическими процессами в реальном времени. На его основе можно создавать автоматизированные рабочие места операторов-технологов, диспетчеров, смененных инженеров и т.д.. Система способна принимать данные через 16 последовательных портов, обрабатывать их при помощи десятков встроенных математических алгоритмов, графически отображать в удобной для оператора форме, вести архивы, генерировать и печатать отчеты, а также поддерживать сетевой обмен с другими компьютерами, используя следующие протоколы: NetBios, NetBEUI, TCP/IP, IPX, SPX, Banian Vines.

Система SupervisorÔ – создает основу для автоматизации рабочих мест административного персонала промышленного предприятия – от старшего диспетчера до главного инженера и директора. Основным отличием системы SupervisorÔ от NT-МРВÔ является отсутствие возможности непосредственного вмешательства администрации в процесс управления технологическим процессом в сочетании с расширенным сервисом по анализу накопленной информации. SupervisorÔ дает руководителю всю информацию, необходимую для принятия управляющего решения, но не позволяет осуществить его самостоятельно. Это полностью соответствует практике управления – руководитель должен отдавать приказы операторам, а не выполнять работы, входящие в их должностные обязанности.

Две программы, входящие в состав UTIL-NT (Report Viewer и Alarm Viewer), имеют вспомогательный характер. С их помощью оператор, не прерывая работы в реальном времени, может просматривать архивы технологической информации и получить информацию о накопленных данных. Утилита просмотра отчета тревог (Alarm Viewer) – программа предназначена для просмотра отчета тревог с использованием временных и строчных фильтров и позволяет производить квитирование сообщений, а также выводить данные из отчета тревог на печать. Программа предусматривает использование одного основного и трех дополнительных фильтров, с помощью которых оператор может произвести отбор данных о технологических событиях, фильтруя их по времени, месту, либо типу события. Кроме того, специальный фильтр позволяет оператору выводить на экран только неквитированные сообщения. Любая строка в отчете тревог может быть помечена “закладкой”. После этого возможен быстрый переход на нее из любого места отчета тревог. Программа Report Viewer предназначена для просмотра и редактирования уровневого архива TRACE MODE и позволяет выполнять ряд операций с выделенными столбцами данных (печать, изменение формата, экспорт данных), а также редактировать данные, записанные в архив. Данные, отображаемые программой, могут обновляться с заданным периодом.

NT-МРВÔ и SupervisorÔ созданы для работы в самых жестких условиях промышленного производства. Это полностью 32-разрядные приложения, в полной мере использующие достоинства современных операционных систем – приоритетную, вытесняющую многозадачность и многопотоковость. В NT-МРВÔ и SupervisorÔ блок ввода-вывода данных и их математической обработки выделен как отдельный поток с приоритетом реального времени. Блок отображения информации и интерфейса с пользователем также оформлен в виде отдельного потока, выполняющегося с обычным приоритетом.

Важное значение для АСУТП имеет вытесняющая многозадачность, предоставляемая операционными системами Windows NT и Linux. Благодаря этому свойству операционной системы оператор получает возможность использовать любые дополнительные приложения без риска остановить работу системы реального времени. Кроме того, исключительно важным свойством Linux для задач АСУТП является ее высокая устойчивость к сбоям. В режиме реального времени NT-МРВÔ, SupervisorÔ и утилиты работают в своем изолированном адресном пространстве.

NT-МРВÔ и SupervisorÔ обеспечивают повышенную защиту накопленной технологической информации. Это достигается как ведением зеркальной копии диска, так и особенностями файловой системы Linux. Дело в том, что в Linux используется особая защищенная от сбоев журналируемая файловая система ext3.

Крупные корпоративные пользователи найдут удобным повышенные средства защиты данных от несанкционированного доступа. Кроме стандартных средств ограничения доступа к данным, предоставляемых TRACE MODE, в NT-МРВÔ и SupervisorÔ возможно блокировать доступ к файлам на уровне операционной системы.

4.2.3. TRACE MODE 6: синтез новых технологий

Новая версия программы по своему инновационному характеру превосходит все существующие версии программы. В ней предложен совершенно новый подход к разработке систем управления, наглядный и интуитивно понятный специалистам разной профессиональной подготовки: инженерам по АСУ ТП, программистам, технологам и даже экономистам. Новая версия программы будет давать интегрированный инструмент для программирования контроллеров (Softlogic), разработки операторского интерфейса (SCADA), управления производственными заданиями (MES) и основными фондами (EAM). TRACE MODE 6 станет многоплатформной – Windows, UNIX, LINUX, QNX. При этом сохранится полная совместимость TRACE MODE 6 с TRACE MODE 5.

4.3. Графическое отображение состояния производственных процессов.

В соответствии с техническим заданием в ходе выполнения дипломного проекта мною на базе SACDA системы TRACE MODE была разработана программа графического отображения состояния производственных процессов.

4.3.1. Назначение программы

Основные функции программы графического отображения:

1. Получение информации о технологическом процессе с сервера производственного контроля;
2. Отображение состояния технологического процесса в реальном времени в виде мнемосхем, карт объекта и т. п., содержащих произвольные графические и текстовые объекты, на которые может быть наложена анимация (масштабирование, изменение цвета, движение и т. п. в зависимости от состояния параметров тех. процесса);
3. Звуковое и визуальное (графическое) оповещение о событиях (нештатных ситуациях);
4. Передача команд оператора на исполнительные механизмы (управление);
5. Получение из базы данных информации об истории параметров технологического процесса (трендах) за произвольный период, обработка информации (усреднение, суммирование, сдвиг и т.п.), вывод в виде графиков (линейных, ступенчатых графиков расхода), таблиц;
6. Получение из базы данных информации о произошедших за произвольный период событиях, связанных с объектом или группой объектов, вывод информации в табличном виде;
7. Экспорт информации в другие приложения, печать.

Программа графического отображения может использоваться не только для контроля технологических процессов на производстве, но и для создания систем охранно-пожарной сигнализации, климат контроля помещений и т.п.

4.3.2. Требования к аппаратным и программным ресурсам

Минимальные требования к аппаратным ресурсам:

• процессор Pentium II, 300 МГц;
• память 64 Мб;
• 30 мегабайт свободного места на жестком диске для размещения программы.

Требования к программным ресурсам:

• операционная система Windows /NT/2000/XP или Linux, с использованием эмулятора wine;
• установленные протоколы TCP/IP;
• MYSQL сервер.

4.3.3. Схема работы и возможности программы графического отображения состояния производственных процессов.

Рис. 4.3. Схема работы программы графического отображения

Структура информационных потоков, обрабатываемых программой графического отображения, изображена на рис. 4.3. TRACE MODE осуществляет обмен данными сервером производственного контроля, сервером баз данных, с помощью которых ведутся базы данных производственного контроля.

Программа графического отображения позволяет оператору получать информацию от элементов однопроводной сетей АСУ тепличного комбината о состоянии микроклимата в теплице. Состояние производственного процесса отображается в виде мнемосхем, на которых размещены планы объектов (теплицы), изображения приборов, установок, движущиеся агрегаты (смесительное устройство), шкалы (текущие значения контролируемых параметров).

4.3.4. Запуск и работа программы графического отображения

После загрузки программа находится в основном рабочем режиме – режиме периодического опроса. В каждом цикле опроса считывается информация с сервера производственного контроля, производится изменение всех графических и текстовых объектов на мнемосхемах, при возникновении событий активизируется звуковое и визуальное оповещение. Оператор в режиме опроса может запрашивать данные о трендах и произошедших событиях из базы, работать с соответствующими таблицами, графиками и т. п. (все действия производятся при нажатии правой кнопки мыши на соответствующих объектах), но не может управлять устройствами, менять какие-либо настройки. Для управления и настройки порогов событий необходимо получить доступ к функциям управления.

При запуске программы происходит соединение с сервером производственного контроля, с которого необходимо считывать данные. Мнемосхемы появляются после того, как будут первый раз считаны данные с серверов, либо установлена невозможность соединения.

4.3.5. Графический интерфейс оператора

На рис. 4.4 приведено главное окно программы графического отображения, разработанное с использованием TRACE MODE версии 5.11.

Рис. 4.4. Главное окно программы графического отображения

В главном окне программы графического отображения показана структура тепличного комбината. Горячая вода температуры 75˚С от источника поступает на обогрев тепличного комбината и в смеситель. В смеситель происходит смешивание горячей и холодной воды. На выходе смесителя – вода для полива температуры 25 ˚С.

Рис. 4.5. Мнемосхема движение водяных потоков в теплице.

Рис. 4.6. Мнемосхема системы полива и обогрева.

Рис. 4.7. Окно вывода графиков контролируемых параметров

При выборе оператором пункта меню, соответствующего выводу графиков, появляется окно, изображенное на рис. 4.7. Чтобы в реальном времени переключить вертикальную шкалу тренда или изменить порядок расположения нескольких вертикальных шкал, нужно нажать ЛК на кнопке «Подробно». При этом на экране появится окно со списком кривых.

Рис. 4.8. Вспомогательное окно.

Шкала выбранной в этом списке кривой будет отображаться на тренде. Если тренд выводит шкалы для всех кривых, то шкала выбранной кривой переместится в крайнюю правую позицию. Для управления видимостью кривых в начале строки описания каждой из них имеется специальное поле. Кривая будет видима, если для нее в этом поле установлен флаг.

Во время работы с трендом может возникнуть необходимость уточнить значение кривой в некоторой точке. Для этой цели служит визир. Чтобы вывести на экран визир, нужно нажать ЛК в области построения графика. Перемещение визира производится нажатием ЛК на требуемой точке графика или клавишами стрелок в соответствующем направлении. Для изменения масштаба тренда используются сочетания клавиш Ctrl+<стрелки>. Клавиши вправо и вверх увеличивают масштаб, а влево и вниз – уменьшают. Значение, на которое указывает визир, отображается в поле под кнопкой «Подробно».

Универсальный тренд имеет меню управления выводимой информацией. Для входа в него следует нажать ПК в пределах тренда. Это меню содержит следующие команды:

1. Переход на время – вывод данных в указанное время. При выполнении этой команды появляется диалог настройки даты и времени. После выхода из него на тренд выводится информация начиная с указанного времени.
2. Свойства – выводит на экран диалог настройки тренда. В нем можно изменить список кривых и их настройки.
3. Восстановить пределы – возврат к исходному масштабу.
4. Архивный – переход в режим отображения данных из архива;
5. Реальное время – переход в режим отображения данных реального времени.

4.3.6. Система архивов TRACE MODE

Одной из задач АСУТП является архивирование (сохранение на жесткий диск) информации, описывающей состояние объекта. При анализе потребностей тепличного комбината в информации о ходе технологического процесса к системе архивирования были предъявлены следующие требования:

1. Информация в архиве должна иметь однозначную привязку к астрономическому времени.
2. Темп записи (сброса) информации на диск должен превышать темп поступления данных.
3. Кратковременная ошибка записи (т.е. ошибка ОС, драйвера, контроллера диска) не должна приводить к искажению на период больший, чем время длительности ошибки. При этом пользователь системы должен иметь доступ к информации о нарушениях в сохранении данных. Отключение ЭВМ должно приводить к как можно меньшей потере данных (минимальный размер буферов ОЗУ) и ни в коем случае не к исчезновению архива.
4. Извлечение данных из архива – такая же важная задача, как и сохранение их.
5. В программе, работающей в режиме реального времени, должны иметься хотя бы минимальные средства извлечения и просмотра архивных данных (таблицы и тренды) за произвольный момент времени.
6. Структура архива должна быть документирована. Извлечение данных может быть произведено программными средствами других производителей.
7. Возможность ручной коррекции информации в архиве средствами SCADA. Естественно, в этом случае должна быть защита коррекции данных паролем и в архив должна заноситься отметка, что такая коррекция была произведена.
8. Временная глубина, объем, набор параметров должны задаваться (настраиваться пользователем).

TRACE MODE имеет широкие возможности по архивированию данных о технологических процессах. TRACE MODE поддерживает три архива [11]:

1. СПАД (локальный архив);
2. Отчет тревог;
3. Глобальный регистратор.

Во все эти архивы заносятся изменения любых атрибутов каналов, отмеченных для архивирования. Разница между архивами состоит в алгоритмах сохранения данных и формате файлов. При сохранении данных в любой из перечисленных архивов фиксация времени осуществляется с точностью до 1 миллисекунды.

В локальный архив значения каналов записываются в бинарном формате. Условием новой записи в архив является изменение значения канала. Этот архив имеет фиксированную длину, которая указывается при его настройке. Структура архива оптимизирована с целью обеспечения компактности и синхронизации записей. При этом глубина архивирования определяется заданным размером и интенсивностью потока данных. Чтобы обеспечить большую глубину, следует для архивируемых каналов вводить апертуру на изменение реальных значений. Кроме того, не следует устанавливать для них частого пересчета, если это не требуется. Локальный архив СПАД предусмотрен для сохранения на диск и последующего анализа значений атрибутов каналов текущего узла. В нем фиксируются изменения реальных значений каналов и невычисляемых числовых атрибутов каналов. К таким атрибутам относятся: период, аварийные границы, границы шкалы, маски, настройки первичной обработки, флаги достоверности, состояния и подключения. Этот архив ориентирован на оперативную работу с данными. Для этого разработана специальная система индексации. Она обеспечивает очень высокую скорость доступа к данным и позволяет использовать СПАД для анализа архивных данных в реальном времени.

Обновление данных в СПАД осуществляется циклически. Перед добавлением в архив новой записи контролируется превышение заданного размера файла. Если после добавления новой записи будет превышен установленный размер, то осуществляется переход в начало архива. При этом все добавляемые записи будут записываться поверх самых дальних по времени.

Для контроля процесса архивирования данных в СПАД и управления им предусмотрены каналы, позволяющие управлять и контролировать выполнение следующих операций:

• управление сохранением данных в СПАД;
• контроль текущего состояния операций со СПАД;
• копирование локального архива СПАД;
• контроль и управление очередью сообщений в СПАД.

Монитор реального времени позволяет экспортировать данные из локального архива в файлы текстового формата. Эти файлы могут затем импортироваться в электронные таблицы и базы данных. Существует возможность экспортировать архивные значения одного канала или всей базы целиком.

Предусмотрена возможность автоматически в реальном времени создавать резервную копию локального архива. При этом пользователь сам может выбрать направление копирования.

Отчет тревог ведется в ASCII-формате. В этом архиве осуществляется фиксация событий. Теоретически он не имеет ограничений на размер. Данные заносятся в отчет тревог в виде отдельных строк. Каждая строка содержит время и дату ее формирования, а также ряд дополнительных полей. Эти поля могут содержать разную информацию в зависимости от того, какое событие фиксируется данной строкой. Такой информацией может быть, например, имя канала и его значение, сообщение из файлов пользовательских словарей и т.д.

Отчет тревог служит для записи в ASCII-файл информации об изменении значений атрибутов каналов, сообщений, содержащих тексты из словаря событий. Для контроля процесса архивирования данных в отчете тревог и управления им предусмотрены каналы, позволяющие управлять и контролировать выполнение следующих операций:

1. Управление сохранением данных в отчет тревог.
2. Копирование отчета тревог.
3. Контроль состояния операций с отчетом тревог.
4. Контроль состояния очереди сообщений в отчет тревог.
5. Контроль текущей длины файла отчета тревог.
6. Зацикливание отчета тревог.

Любое сообщение, помещенное в отчет тревог, имеет свой тип. Он определяет степень ответственности данного сообщения. Этот тип задается при вводе текста сообщения например, выход какого-либо контролируемого параметра микроклимата за технологические границы. Далее при просмотре отчета тревог можно в качестве одного из фильтров задать тип сообщения. Сообщения в отчете тревог могут квитироваться из МРВ с помощью специальной формы отображения.

Система архивов программа графического отображения состояния производственных процессов представлена на рис. 4.9 и реализует все выше описанные функции.

Рис. 4.9. Окно тренда “Архив”.

По моему мнению, применение TRACE MODE в разработке распределенных АСУ ТП перспективно и позволяет значительно сократить сроки проектирования и отладки.

5. Сервер производственного контроля

5.1. Назначение сервера

Основные функции сервера производственного контроля:

1. получение и обработка информации о технологическом процессе;
2. отслеживание событий (нештатных ситуаций);
3. передача команд оператора на исполнительные механизмы;
4. передача данных удаленным серверам и программам графического отображения, прием команд от удаленных операторов;
5. сохранение параметров в базе данных, ведение журнала событий.

5.2. Анализ информационных потребностей фирмы

При работе над проектом были определены следующие функциональные требования:

1. Централизованный доступ к данным. Хранение данных на выделенном файл-сервере с разграничением прав доступа к информации;
2. Сетевые базы данных. Распределенные системы учета и автоматизация бухгалтерских расчетов;
3. Использование Internet-технологий;
4. Обеспечение информационной безопасности и сохранности данных.

Рис. 5.1. Схема работы сервера производственного контроля.

Структура информационных потоков, обрабатываемых сервером, изображена на рис. 5.1. Сервер осуществляет обмен данными со следующими устройствами:

1. Элементы однопроводной сети MicroLAN фирмы «Dallas Semiconductor». Однопроводная сеть присоединяется к компьютеру через последовательный порт. Сеть содержит 17 датчиков, 6 ключей дискретного ввода/вывода, 8 меток линии, а также мастер линии.
2. Сервер сохраняет значения параметров с произвольной периодичностью в базе данных реального времени и производит её еженедельную архивацию.
3. Сервер позволяет обмениваться данными с удаленными серверами производственного контроля с помощью семейства протоколов TCP/IP. Это может быть необходимо, например, для ведения централизованной базы данных.
4. Сервер позволяет передавать данные любому внешнему приложению по интерфейсу DDE.
5. Сервер позволяет обмениваться данными с программой графического отображения, которая используется для создания интерфейса оператора, оповещения о нештатных ситуация, вывода графиков параметров, журнала событий.

5.3. Выбор сетевой ОС

Ключевым звеном в сети является операционная система, своего рода «сердце сети». Рассмотрим две операционные системы: Microsoft Windows 2000 Server и ASPLinux 7.3. Следует сразу отметить, что одним из важнейших критериев выбора ОС являются затраты, необходимые на приобретение как собственно ОС, так и программных продуктов для неё.

Рассмотрим сетевую операционную систему Windows 2000 Server корпорации Microsoft, кажущаяся простота которой часто сбивает с толку начинающих системных администраторов. И хотя Microsoft позиционирует данную ОС как серверную сетевую платформу для малого и среднего бизнеса, общеизвестно, что серьезные сетевые проекты в большинстве случаев по-прежнему базируются на платформе UNIX. Следует отметить завышенные требования к аппаратному обеспечению, например, для полноценного функционирования сервера требуется не менее 128 мегабайт оперативной памяти.

Так же, на мой взгляд, большим недостатком является то, что Windows 2000 Server – коммерческий продукт, стоимость которого составляет порядка 750 долларов США. Также следует отметить тот факт, что большая часть офисных программных продуктов (Microsoft Office, Visio и т.д.) являются коммерческими, что при проектирование тепличного комбината резко повысит его себестоимость.

Итак, ОС Windows 2000 Server была отвергнута по следующим причинам:

1. Как ОС, так и большая часть прикладного программного обеспечения являются коммерческими продуктами, цена которых достаточно велика.
2. Общее недоверие к программным продуктам Microsoft, их ненадежность, большое количество ошибок.
3. Высокие требования к аппаратному обеспечению, при достаточно низкой производительности.
4. Определенная функциональная неполноценность Windows 2000 Server как сетевой ОС.

С другой стороны ОС Linux обладает следующими неоспоримыми преимуществами:

1. Относительно невысокие требования к аппаратному обеспечению.
2. Бесплатное распространение ОС по лицензии GNU.
3. Гибкость настроек при одновременной мощности и традиционной высокой функциональности UNIX – систем.
4. Огромное количество свободно распространяемых продуктов (в том числе в виде исходных текстов).
5. Отличная репутация ОС.
6. Полнота начальной дистрибьюции системы, позволяющая обеспечить функционирование большинства требуемых сервисов и служб.
7. Полная документированность.

ОС Linux стала привлекательной альтернативой коммерческих ОС. Лавинообразный рост интереса к Linux во всем мире подтверждает это. В ней объединены мощь и гибкость UNIX-станции, возможность использования полного набора приложений Internet и полнофункциональный графический интерфейс (например, X Window).

В качестве дистрибутива Linux возьмем ASP Linux 7.3 Server Edition .

5.4. Выбор сетевых протоколов

5.4.1. Протокол 1-Wire

Протокол интерфейса 1-Wire обеспечивает возможность работы с множеством iButton, подключенных параллельно к линии данных однопроводной сети сбора первичной информации тепличного комбината. Команды интерфейса позволяют определить ID всех iButton, подключенных в данный момент к линии и затем работать с конкретным прибором, переведя остальные в режим ожидания. Управление линией данных и выдачу команд производит ведущее устройство, в качестве которого может использоваться любой микроконтроллер или персональный компьютер (ПК).

5.4.2. Стек протоколов TCP/IP

Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) – основное средство современного сетевого и межсетевого взаимодействия. Не секрет, что большинство современных систем поддерживают данный протокол. Распространению данного протокола способствовало, в частности, развитие сети Internet и использование TCP/IP в качестве универсального транспорта. TCP/IP предоставляет пользователям однородный интерфейс, обеспечивающий взаимодействие с сетевыми аппаратными средствами различных типов. Этот протокол гарантирует возможность обмена данными между системами, невзирая на многочисленные различия, существующие между ними. TCP/IP, кроме того, позволяет соединять на программном уровне отдельные физические сети в более крупную и более гибкую логическую сеть.

В состав комплекта TCP/IP входит несколько компонентов [7]:

• межсетевой протокол (Internet Protocol, IP), который обеспечивает транспортировку без дополнительной обработки данных с одной машины на другую;
• межсетевой протокол управления сообщениями (Inernet Control Message Protocol, ICMP), который отвечает за различные виды низкоуровневой поддержки протокола IP, включая сообщения об ошибках , содействие в маршрутизации, подтверждение получения сообщения;
• протокол преобразования адресов (Adsress Resolution Protocol, ARP), выполняющий трансляцию логических сетевых адресов в аппаратные;
• протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP) и протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP), которые обеспечивают пересылку данных из одной программы в другую с помощью протокола IP. Протокол UDP обеспечивает транспортировку отдельных сообщений без проверки, тогда как TCP более надежен и предполагает проверку установления соединения.

5.4.3. Протокол РРР

В качестве альтернативы аппаратным сетевым соединениям, таким как Ethernet, можно воспользоваться модемом и телефонными линиями. Существуют два протокола, которые позволяют передавать IP-пакеты по коммутируемым телефонным каналам. Это SLIP (Serial Line Internet Protocol – межсетевой протокол для последовательного канала) и протокол РРР (Point-to-Point Protocol – протокол “точка-точка”). SLIP – старый протокол, а РРР – более современный и очень стабильный. В АСУ тепличного комбината этот протокол используются для соединения сервера производственного контроля с Internet-провайдером. РРР – это “универсальный” протокол оформления (инкапсуляции) пакетов. Он позволяет передавать мультипротокольные пакеты по одному каналу. Описание этого протокола приведено в RFC 1331. Он отличается большей гибкостью, чем SLIP, который обрабатывает только IP-пакеты. Подключение АСУ тепличного комбината к Internet дает возможность отправки с помощью TRACE MODE sms-сообщений на мобильный телефон стандарта GSS900/1800 о нарушении в технологическом процессе. А также возможность организации на базе сервера производственного контроля WEB-сервера для размещения рекламы в сети Internet.

В состав протокола РРР входят три компонента:

1. процедура инкапсуляции дейтаграмм для передачи их по последовательным каналам;
2. протокол управления каналом” (Link Control Protocol, LCP), предназначенный для установления, конфигурирования и тестирования соединения на канальном уровне;
3. семейство “протоколов управления сетью” ( Network Control Protocols, NCP), обеспечивающий конфигурирование и функционирование различных протоколов сетевого уровня.

Протокол РРР отличается рядом интересных особенностей, которыми не обладает протокол SLIP. В частности, РРР может инкапсулировать пакеты, соответствующие различным протоколам, для передачи их по одной последовательной линии. В нем есть встроенные средства коррекции ошибок и компрессии.

Использование протокола РРР достигается его встроенными реализациями в ядре Linux и программными компонентами, основу которых составляет демон pppd.

5.5. Web-сервер

Для размещения рекламы в сети Internet с целью сбыта выращиваемой продукции используется Web-сервер. WWW (World Wide Web) является, пожалуй, самой популярной технологией современного Internet. Когда пользователи просматривают “информационное пространство” WWW, они плавно перемещаются от странице к странице в пределах одного сервера и между серверами. Технология WWW основана на концепции документов с гипертекстовыми ссылками, обогащенной богатым языком форматирования документов и более удобной моделью доступа. Клиентская же часть представлена “браузерами” (“browsers”). Среди них надо отметить двух бесспорных лидеров Netscape Navigator и Microsoft Internet Explorer (они существуют для большинства современных систем с графическим интерфейсом). Помимо графических браузеров существуют и текстовые (например, lynx для UNIX, OS/2). Браузеры позволяют просматривать содержимое гипертекстовых документов, перемещаться по ссылкам, сохранять различные документы и файлы.

Собственный Web-сервер построен на системе Apache-1.3.23-11.asp. Apache – один из самых популярных Web-серверов. Он разрабатывается и поддерживается Apache Group и распространяется в рамках лицензии GNU. Он содержит обширный API для расширения с помощью модулей, множество способностей и большое количество подключаемых модулей; очень гибок, работает на большом количестве популярных операционных систем, имеет активное сообщество пользователей. В проекте используется русская версия Apache, поддерживаемая российскими участниками Apache Group. Главным достоинством русской версии является возможность автоматического распознавания кодировки клиентской стороны с последующим перекодированием страниц в требуемую кодировку. Так, например, если HTML-ресурсы сервера хранятся в кодировке KOI8, а к серверу обращается браузер Windows-машины, то Apache на лету перекодирует страницу в кодировку 1251 и “отдает” содержимое страницы клиентской стороне.

5.6. Информационная безопасность

Проблемы информационной безопасности охватывают широчайший диапазон административных, этических, правовых, технических вопросов. В рассмотрение данного раздела попадают причины исчезновения, порчи, изменения и утечки информации.

Задача сохранения целостности информации усложняется тем фактом, что сервер производственного контроля соединяется с внешним миром через канал подключения к Internet. Мощнейшим средством защиты сети от атак и несанкционированного доступа извне является firewall. Firewall это совокупность компонент или система, которая располагается между двумя сетями и обладает следующими свойствами:

1. Весь трафик из внутренней сети во внешнюю и из внешней сети во внутреннюю должен пройти через эту систему.
2. Только трафик, определенный локальной стратегией защиты, может пройти через эту систему.
3. Система надежно защищена от проникновения.

В сети АСУ тепличного комбината в качестве firewall-хоста выступает Linux-машина. Firewall реализован с использованием iptables – средства, регулирующего правила фильтрации IP-пакетов на уровне ядра Linux. Собственно, firewall выполнен в виде одноименной shell-процедуры, состоящей из последовательных команд ipfwadm с определенными параметрами, которые и задают правила фильтрации. Данная процедура вызывается в соответствующих уровнях исполнения при загрузке Linux-машины.

К сожалению, описание всех применяемых методик и средств защиты информации выходит далеко за рамки дипломной работы.

5.7. Резервное копирование

Правильный подход к операциям резервного копирования позволяет свести к минимуму потерю важных для предприятия данных. Среди потенциальных причин таких следует отметить:

• выход из строя дисковых систем;
• ошибки и крахи файловых систем;
• стихийные бедствия, пожары, кража компьютерной техники и прочие;
• злонамеренные действия хакеров;
• ошибки действий оператора и системного администратора.

При обычной общей недисциплинированности, плохой осведомленности и безответственности оператора, лучшим решением проблемы сохранности данных является автоматизация всех процессов резервного копирования. Файловые ресурсы, подлежащие резервному копированию следует разделить на две составляющие: информация о ходе технологического процесса и собственные файловые ресурсы сервера производственного контроля.

Суть работы системы сводится к периодическому вызову специально написанных shell-процедур. Главная из них – процедура main, которая осуществляет вызов процедуры архивации о ходе технологического процесса, архивацию собственных ресурсов сервера производственного контроля, вызов сценария ротации архивов и уведомление оператора резервного копирования о выполненных операциях. Архивация собственных критичных к потере файлов и директорий сервера производится внутри процедуры main согласно списку ресурсов, подлежащих резервному копированию. Список находится в файле /usr/local/bin/backup/locallist. Полученные архивы подвергаются трехступенчатой ротации.

Описание системы резервного копирования следует завершить упоминанием еженедельного вызова основной процедуры main при помощи системного процесса cron.

6. Безопасность и экологичность проекта

В данном разделе рассмотрим экологичность и безопасность разработанной автоматизированной системы. Рассматриваемая АСУ, предназначена для автоматического управления технологическим процессом выращивания овощей в тепличных условиях. Участие человека в технологическом процессе подразумевает, работу оператора на персональном компьютере. С учетом данного аспекта и продолжим дальнейшее рассмотрение проблемы.

6.1. Анализ основных потенциально опасных факторов

Характер и организация трудовой деятельности оказывает существенное влияние на состояние организма человека. Поэтому организаторы производства должны обеспечить соответствие рабочего места оператора санитарно-гигиеническими требованиями.

Труд оператора характеризуется монотонностью и напряженностью, а также значительным снижением двигательной активности человека, что приводит к формированию сердечно-сосудистых патологий, длительная умственная нагрузка угнетает психику, ухудшаются функции внимания, снижается восприятие, возможно появление ошибок.

Существенное влияние на здоровье человека оказывает микроклимат в помещении. Микроклимат производственного помещения – это климат внутренней среды помещений, определяемый действующими на организм человека сочетаниями температуры, влажности, интенсивности теплового излучения и скорости движения воздуха. Весьма важным для сохранения здоровья, обеспечения хорошего самочувствия является поддержание оптимальных климатических параметров. Параметры микроклимата регламентируются ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ.

Так как деятельность оператора связана с работой электронных устройств, которые находятся под напряжением, то при понижении влажности в помещении возрастает риск поражения человека статическим электричеством. Кроме того, существует риск попадания человека под напряжение из-за вышедшей из строя изоляции или незапланированного повышения напряжения в сети.

6.2. Оценка факторов, влияющих на окружающую среду и оператора при работе с компьютером

1. Вентиляция. Температура в операторской поддерживается в холодный и переходный периоды при помощи батареи центрального отопления. Средняя температура составляет около 18 – 23 градуса Цельсия.
2. Освещение. На рабочих местах искусственное освещение (люминесцентные лампы). Тип освещения комбинированный. Освещение рабочего места осуществляется лампами дневного света ЛБ 40-1-40W и всего помещения лампами типа ЛБ. Коэффициент естественного освещения находится в пределах от 0.65 (для рабочих мест, расположенных в центре), до 0.83 (для рабочих мест, расположенных около окна). На боковой стене находится два окна 2х2 метра.
3. Шум. Шум, воздействуя на человека, создает дополнительную нагрузку на центральную нервную систему [13], ослабляет внимание, приводит к быстрому утомлению.

В лаборатории источниками шума являются системы воздушного охлаждения ЭВМ (встроенные вентиляторы) и печатающие устройства. Уровень шумов, создаваемых вычислительной техникой:

-дисковод – 10 дБА;

-устройство печати – 25 дБА.

Уровень шума системы вентиляции равен 10 дБА. Рассчитаем уровень звукового давления суммарного звука по формуле:

(6.1)

Этот уровень шума гораздо меньше допустимого по СанПиН 2.2.2.542-96 уровня шума на рабочих местах. Для защиты от поражения электрическим током предусмотрены следующие меры:

• ЭВМ питаются от сети однофазного переменного тока напряжением 220±22В с частотой 50±1Гц; устранение неисправности ЭВМ, осмотр элементов системы электропитания, смена сетевых предохранителей производится только после отключения электропитания. Рубильник расположен на видном месте;
• Токсические вещества, промышленная пыль, ультразвук, вибрация, инфракрасное излучение, лазерное излучение отсутствуют (из-за специфики работы);

Весьма важным для сохранения здоровья, обеспечения хорошего самочувствия является поддержание оптимальных метеорологических параметров (миктоклимата), оказывающих влияние на тепловое состояние организма человека – температуры, влажности, подвижности воздуха.

Неблагоприятные метеоусловия могут быть причиной угнетения защитных сил организма, возникновения предболезненных и болезненных состояний, усугубляя влияния других вредных и опасных факторов.

В таблице 8.1 приведены основные санитарно-гигиенические факторы окружающей среды, которые влияют на оператора при работе с компьютером [13].

Таблица 6.1

Основные санитарно – гигиенические факторы окружающей среды

Самым негативным фактором при работе оператора с компьютером является излучение монитора.

При работе монитор, как и любой телевизор, испускает ряд излучений: рентгеновское и бета-излучение, идущее из кинескопа, и переменное электромагнитное поле, идущее от катушек строчной и кадровой развертки, силовых трансформаторов и катушек коррекции. Бета-излучение обнаруживается лишь в нескольких сантиметрах от экрана, рентгеновское – в 20-30 см, электромагнитное поле катушек распространяется во все стороны, особенно вбок и назад (спереди оно в некоторой степени ослабляется теневой маской и арматурой кинескопа) [13].

По последним данным, именно электромагнитное излучение низкой частоты представляет наибольшую опасность для здоровья, поэтому санитарные нормы развитых стран устанавливают минимальное расстояние от экрана до оператора около 50-70 см (длина вытянутой руки), а ближайших рабочих мест от боковой и задней стенок монитора – не менее 1.5 м. Клавиатура и руки оператора также должны быть расположены на максимально возможном расстоянии от монитора. Один из наиболее жестких стандартов на допустимые уровни электромагнитных излучений – MPR II (Швеция), устанавливающий условно безопасные уровни излучений на расстоянии 50 см от монитора; этому стандарту удовлетворяют практически все современные мониторы. Более жесткий стандарт TCO’99 устанавливает условно безопасные уровни на расстоянии 30 см от монитора. Минимально допустимой в настоящее время частотой смены кадров (регенерации изображения, Vertical Refresh Rate) считается 75 Гц, однако многие люди даже на такой частоте ощущают мерцание изображения, либо подсознательное ощущение дискомфорта от повышенного утомления глаз. Порогом, за которым мерцание практически не ощущается, принято считать частоту смены кадров 100 Гц, которую обеспечивают многие профессиональные мониторы.

Воздействие электростатических полей заключается в том, что положительные ионы, разгоняясь в электростатическом поле экрана, направляются навстречу лицу оператора.

Рис. 6.1 Взаимное расположение оператора и монитора.

Снизить воздействие рентгеновского излучения и электростатических полей можно, если установить на экран монитора специальный антистатический фильтр. Помимо этого для снижения негативного влияния излучений необходимо, чтобы оператор выполнял следующие требования:

• Расстояние между экраном и лицом должно быть не менее 50 cм.;
• Оператор должен находиться не ближе 1.5 м от задних и боковых поверхностей соседних мониторов;

6.3. Оценка интерфейса разрабатываемой программы и среды разработки

Для обеспечения эффективной работы оператора нужно учитывать его эмоциональные, психологические и физиологические особенности. Если оператор расстроен, раздражен или подавлен, то он не может работать плодотворно [13]. Элементом системы, который может оказать положительное или же отрицательное влияние на оператора, является интерфейс человек – компьютер, т. е. среда, через которую оператор взаимодействует с компьютером. Интерфейс человек – компьютер включает такие аспекты вычислительной системы, которые касаются непосредственно пользователя. Этот важный фактор, обеспечивающий успешную работу вычислительной системы, так как эргономические (как физические, так и психологические) характеристики интерфейса оказывают существенное влияние на производительность труда оператора.

Разработка программного продукта производилась при помощи SCADA системы TRACE MODE 5.11. Интерфейс данного продукта можно оценить как крайне привлекательный практически для любого разработчика программ под Windows 98/NT/XP, а также ОС LINUX. При разработки программного продукта, осуществляющим визуализацию технологического процесса были учтены воздействия цвета на функции органов и систем человека. Характеристика воздействий цвета на функции органов и систем представлены в табл. 6.3 [13].

Таблица 6.3. Цвета на функции органов и систем

Можно добавить к сказанному, что интерфейс разрабатываемой программы и среды разработки отвечают одним и тем же требованиям и представляют собой стандартный графический интерфейс XWindows System, поэтому будем рассматривать эти пункты вместе. Произведем оценку интерфейса согласно ГОСТ ИСО/МЭК 9126-93. По этому нормативному документу испытываются следующие параметры:

1. Функциональные возможности. Программа графического отображения позволяет производить контроль технологического процесса, отображая текущие значения всех контролируемых параметров в виде графиков, с рабочего места оператора.
2. Надежность. Отсутствие тупиковых ситуаций, а также возможность работы программы графического отображения в среде Linux значительно повышает надежность всей системы в целом.
3. Практичность. Операторский интерфейс, максимально соответствует контролируемому объекту. Таким образом, программой графического отображения могут пользоваться операторы, имеющие минимальный навык работы с компьютером.
4. Эффективность. Разработанный программный продукт обладает низкими аппаратными требованиями (см. пункт 4.3.2).
5. Сопровождаемость. Большой объем вспомогательной информации, позволяющий легко работать в рассматриваемой программе.
6. Мобильность. Возможность работы программы графического отображения как в среде MS Windows, так и в среде Linux. Независимость от типов монитора и видеоадаптера.

6.4. Пожарная безопасность

Продолжительность пожара и его температурный режим обуславливаются количеством горючих материалов в помещении, их пожаро и взрывоопасными свойствами и особенностями технологических процессов размещаемых в них производств. Данное помещение операторской согласно СН и ПII90-81 можно отнести к классу «Д», так как работа не связана с обработкой горючих веществ и материалов. Опасными факторами, воздействующими на людей при пожаре, являются: открытый огонь, повышенная температура воздуха, предметов и т.п.; токсичные продукты горения, дым, пониженная концентрация кислорода; обрушение и повреждение зданий, сооружений, взрывы.

Наиболее вероятными причинами возникновения пожара в рассматриваемом помещении являются [13] причины электрического характера: короткое замыкание, перегрузки, искрение. В результате короткого замыкания, а также при плохом контакте на клеммах возникают искры, от которых могут загореться пластиковые корпуса ЭВМ и периферийных устройств. В результате перегрузок некоторые детали нагреваются до температуры, при которой могут загораться печатные платы. Перегрузки и короткое замыкание в сети могут вызвать возгорание изоляции сетевых кабелей. Короткие замыкания возникают при неправильном устройстве и эксплуатации электроустановок, старении или повреждении изоляции. Ток короткого замыкания достигает нескольких кА, что вызывает искрение и разогревание токоведущих частей до высокой температуры, а это в свою очередь, влечет воспламенение изоляции проводов и находящихся рядом сгораемых конструкций и материалов. При токовых перегрузках в электросетях применяются плавкие предохранители и воздушные автоматические переключатели.

Возникший пожар можно устранить с помощью наиболее распространенного средства – огнетушителя. Так как в помещении операторской есть электроустановки и оборудование, находящееся под напряжением, то в качестве огнетушащего средства подходят газовые составы – хладоны, инертные разбавители, порошки. Недостаток порошкового тушения, помимо высокой стоимости и трудности хранения, является сильное запыление помещения. Углекислый газ химически инертен, не проводит электрический ток, не вызывает коррозии оборудования.

Для борьбы с пожаром в помещении операторской установлены два ручных углекислотных огнетушителя ОУ-5, расположенных в разных концах помещения.

Для своевременного оповещения о пожаре в операторской установлены извещатели-датчики КИ-1, подключенные к системе автоматической пожарной сигнализации, реагирующие на повышенную температуру и дым.

6.5. Экологичность работы

Само по себе программное обеспечение не может нести прямую экологическую угрозу окружающей среде, так как это всего лишь набор кодов загруженных в оперативную память ЭВМ. Программы могут сохраняться на различного типа носителях и также не представляют экологической опасности. Основную опасность представляют ЭВМ, на которых разрабатывается и работает программное обеспечение.

Как и любой электроприбор, компьютер подключается к сети переменного тока. В зависимости от своей комплектации ЭВМ может потреблять мощность от 80 до 300 ватт, что ведет к значительному расходу электроэнергии при интенсивной эксплуатации. Поскольку все выработки электричества оказывают вредное воздействие на окружающую среду (к примеру, кислотные выбросы и выбросы, влияющие на климат, радиоактивные отходы) экономия энергии является жизненно важной.

В настоящее время существуют стандарты энергосбережения (например, Energy Star), которые позволяют в ряде случаев экономить достаточно большое количество электроэнергии. Такому стандарту соответствуют все выпускаемые последние несколько лет компьютеры и комплектующие к ним. Стандарт подразумевает, что компьютер и/или дисплей после определённого периода, в течении которого к нему нет обращения, должен за один или несколько этапов уменьшить потребление питания до низкого уровня (перейти в “спящий” режим Sleep/Stand by mode).

Требования по защите окружающей среды среди прочего налагают ограничения на наличие и использование тяжёлых металлов, применение бромистых и хлористых соединений для поглощения огня, фреонов и хлорсодержащих растворов, так как после вторичной переработки эти вещества по большей части рано или поздно оказываются на природе.

В последнее время весьма эффективным, хотя и дорогим, решением является использование мониторов на жидких кристаллах. Эти устройства отображения информации не излучают рентгеновских лучей, а электромагнитные поля у них значительно слабее, чем у обычных мониторов.

Возмущения, создаваемые компьютером в электрической сети гасятся при помощи установки сетевых фильтров. Кабельные системы желательно тщательно экранировать и размещать подальше от людей.

Звуковые шумы устраняются совсем или частично путем установки малошумных компьютерных подсистем, замены шумных (щелкающих) клавиатур на новые бесшумные модификации, матричных и струйных принтеров на лазерные и т.п.

Таким образом, в разделе “Безопасность и экологичность проекта” был произведен анализ влияния на человека и окружающую среду разработанной системы. В процессе анализа были выявлены наиболее опасные и вредные факторы, влияющие на работающего в этих условиях человека, также были предложены мероприятия и рекомендации по предотвращению возникновения несчастных случаев. Рассмотрен вопрос о мероприятиях по защите окружающей среды.

7. Технико-экономическое обоснование проекта

7.1. Выбор и обоснование аналога

В качестве аналога автоматизированной системы управления тепличным хозяйством выберем комплекс «АСУ «Теплица» ЗАО “НАНКО”, который реализует следующие основные функции:

• регистрацию и отображение значений контролируемых параметров (температуры и влажности воздуха, температуры воды в контурах отопления, положения регулирующих клапанов и др.);
• создание архивов измеряемых параметров;
• непрерывный контроль действующего оборудования;
• оперативное дистанционное переключение на резервное или автономное энергоснабжение теплиц при отключении или выходе из строя основного;
• постоянный учёт расхода теплоносителей и электроэнергии;
• своевременное обнаружение сбоев и предаварийных и аварийных ситуаций в работе действующего оборудования;
• точность поддержания температуры воздуха в теплице ± 1°С;
• точность поддержания влажности воздуха и почвы в теплице ± 3°%.

Более детальный анализ данной разработки показывает, что рассматриваемый информационный комплекс компании “НАНКО” ориентирован для создания тепличных хозяйств, занимающих большую площадь и включающих большое количество помещений. Как следствие из всего этого данная разработка является слишком громоздкой и дорогой для создания тепличного хозяйства, включающего две-три теплицы. В отличие от рассмотренного аналога, разработанная мною автоматизированная система управления тепличным комбинатом, рассчитана на применение в небольших фермерских хозяйствах. Она требует меньших материальных затрат, занимает меньшую площадь, но при этом имеет высокие показатели надежности и качества.

7.2. Расчет интегрального показателя качества

Каждая из технологий, обеспечивающая решение поставленной задачи обладает сильными и слабыми сторонами. Поэтому необходим комплексный критерий, способный оценить положительные и отрицательные составляющие каждой из технологий. В качестве такого критерия может выступать интегральный показатель качества.

Таблица 7.1. Интегральный показатель качества

Относительный критерий качества равен отношению двух абсолютных интегральных критериев. . Относительный критерий качества больше единицы, а значит, данная разработка целесообразна.

7.3. Функционально-стоимостной анализ

Метод функционально-стоимостного анализа является видом экономического анализа, суть которого заключается в системном исследовании объекта, направленном на оптимизацию соотношения между потребительскими свойствами и затратами на его создание и использование [14].

Функционально-стоимостной анализ состоит из 3 базисных этапов:

1. Определение назначения объекта.
   • Формирование целей и задач проектирования.
   • Формирование основных и вспомогательных функций.
2. Оценка назначений путем сравнения.
3. Разработка вариантов, изменяющих стоимость.

Автоматизированный информационный комплекс тепличного комбината включает в себя:

1. Аппаратура сбора информации о ходе технологического процесса.
2. Смесительное устройство.
3. Аппаратура сопряжения верхнего и нижнего уровней АСУ тепличным комбинатом.
4. Исполнительные устройства.
5. Сервер производственного контроля.

• аппаратура сбора информации о ходе технологического процесса производит снятие, преобразование и передачу текущих значений контролируемых параметров;
• смесительное устройство предназначено для подготовки воды полива и требуемого расхода потока поливной воды, путем смешивания двух потоков горячей и холодной воды.
• аппаратура сопряжения представляет собой однопроводную сеть MicroLAN, предназначенную для передачи сигналов с измерительных устройств, а также для организации доступа к каждому измерительному устройству.
• исполнительные устройства предназначены для осуществления внешнего воздействия на технологический процесс под действием управляющих команд.
• сервер производственного контроля, представляет собой персональный компьютер, подключенный к сети MicroLAN, и выполняет визуализацию технологического процесса, выработку управляющих воздействий, архивирование информации о ходе технологического процесса, сигнализирование нарушений о его ходе.

Рис. 7.1. Структурная схема АСУ тепличного комбината.

Рис. 7.2. Функциональная схема АСУ тепличного комбината.

Таблица 7.2 Расчет стоимости покупных изделий.

Таблица 7.3. Вид и содержание функций АСУ тепличного комбината.

Таблица 7.4. Затраты на функцию.

Рис. 7.3. Функционально-стоимостная диаграмма АСУ тепличного комбината.

Из функционально-стоимостной диаграммы, представленной на рис. 9.4, видно, что стоимости функций не превышают их значимости, следовательно, выбор устройств было произведен правильно.

7.4. Расчет затрат на конструкторскую и технологическую подготовку производства

Затраты на этапе проектирования сводятся к определению заработной платы инженерно-технических работников, занятых на этапах конструкторской, технологической и организационной подготовки производства [12]. Часовая ставка исполнителя рассчитывается делением среднемесячного оклада на действительный часовой фонд времени исполнителей.

где    З_час – часовая ставка;

З_ср – средняя зарплата;

t_ф – фонд времени.

Определим заработную плату инженерно-технических работников, занятых на этапах конструкторской, технологической и организационной подготовки производства. Для расчета затрат необходимо определить продолжительность каждой работы на этом этапе. Величина месячного фонда времени при пятидневной рабочей неделе в среднем составляет t = 176 часов. В нашем случае среднемесячный оклад инженера составляет 6000 рублей. Согласно (7.1) имеем:

Таблица 7.5. Смета оплаты труда.

Для определения затрат на НИР составляется смета, в которую входят все затраты по выполнению работ с распределением их по калькуляционным статьям. Распределение удельного веса отдельных статей в структуре сметы приведено в табл. 7.6.

Таблица 7.6. Распределение удельного веса статей в структуре сметы

Оценим стоимость проведения всей работы:

Для расчета суммы капитальных вложений воспользуемся формулой (7.3).

Себестоимость разрабатываемой АСУ тепличного комбината рассчитывается по формуле:

В капитальные вложения потребителя К_потр входят:

где

S_T, S_MH – стоимость перевозки к месту эксплуатации и настройки (4% Цоп);

SЗП – стоимость запаса сменных частей (10% Цоп).

При этом рассматривается нерезервируемая система, так как сменные части установки не учитываются.

При расчете эксплутационных расходов учитываются амортизационные отчисления и затраты на профилактический и текущий ремонт [12]:

Амортизационные отчисления:

где

а_н – норма амортизации (0,251 );

Ц_ОП – стоимость системы.

Затраты на профилактический текущий ремонт:

Суммарные расходы на эксплуатацию составят:

7.5 Определение показателей экономической эффективности для потребителя

Основными потребителями данной продукции являются фермерские хозяйства. Автоматизированная система управления тепличным комбинатом позволит не только, повысить количество и качество выращиваемой продукции, но и позволит размещать рекламу в Internet, создавать отчеты, снизит до минимума потери от нарушений в ходе технологического процесса.

При разработке АСУ тепличного комбината, постоянно учитывались ценовые показатели комплектующих:

1. Использование ОС ASPlinux3, свободного распространяемого по лицензии GNU, вместо MS Windows 2000 Server, позволило не только сэкономить около 25000 рублей, но и повысить надежность всей системы в целом.
2. Для сопряжения верхнего и нижнего уровней АСУ используется однопроводная сеть MicroLAN вместо традиционной CAN-сети. CAN-сети являются более надежными, но и очень дорогими.

За счет использования новых более дешевых, а в некоторых случаях и вообще бесплатных, составляющих конечная цена получилась относительно низкой, что, несомненно, привлечет потенциальных покупателей.

Проведем анализ эффективности разработки для потребителя в случае серийного выращивания овощей в автоматизированном тепличном комбинате в течение одного года.

В цеху работает 3 человека – специалистов по настройке и загрузке установки. Если положить, что оплата труда рабочих за один час составляет 22.7 рублей, то за год на оплату труда рабочих потребуется:

Общие издержки определим по следующей формуле:

Цена за один килограмм клубники:

Производительность тепличного комбината составляет 7000 кг/год:

Отсюда срок окупаемости для потребителя:

• 6. Расчет себестоимости и определение показателей экономической эффективности для производителя.

Проведем анализ эффективности разработки в случае серийного производства в течение одного года. На автоматизацию одного тепличного комбината тратится 500 часов. Так как в неделе 40 рабочих часов, а в году 11 рабочих месяцев, следовательно, за год автоматизации может подлежать:

В цеху работает 10 человек – специалистов по сборке установок, по наладке и наладчиков, 1 – уборщица, 1- сторож. Норма заработной платы рабочих составляет 28.4 руб./ч. За год сумма зарплат всех рабочих составит:

Затраты на закупку комплектующих изделий для одного образца составляют:

.

В год на комплектующие изделия потребуется:

В результате общие издержки можно определить по следующей формуле:

Тогда себестоимость устройства равна:

Учитывая, что рынок подобных систем еще не велик, назначим рекомендуемую нами окончательную стоимость:

В этом случае прибыль составит:

Рентабельность данного проекта можно оценить:

Таким образом, для обеспечения рентабельности необходимый объем продаж должен быть не менее 3 изделий. Срок окупаемости 9 месяцев.

В данной работе экономически было обоснована организация автоматизации данной отрасли. Интегральный критерий качества новой разработки оказался выше, чем у выбранного аналога, что и является аргументом в пользу данной новой разработки. Срок окупаемости оказался равным 17 месяцам. К тому же цены на овощи в странах с низкой среднегодовой температурой достаточно велики, чтобы очень быстро покрыть издержки на закупку и эксплуатацию оборудования. Очевидно, что приведенная стоимость АСУ тепличного комбината в 2-3 раза меньше аналогов. Указанное обстоятельство определяется выбором современных технологий, а также возможность реализовать продукцию с качеством, не уступающим аналогам. Предусматривается реклама в сети Internet средствами самой автоматизированной системы, что позволит составить достойную конкуренцию, имеющимся аналогам. При проведение рекламной компании будет производится ориентация на страны с достаточно низкой среднегодовой температурой, где даже в летнее время многие овощи не успевают вызревать.

Заключение

В данном дипломном проекте были разработаны верхний уровень автоматизированной системы управления тепличным комбинатом, а также система автоматического управления смесительным устройством. Была выведена математическая модель смесительного устройства и для неё синтезированы законы управления, посредством типовых регуляторов. Была произведена настройка регуляторов на оптимум по модулю. По результатам моделирования видно, что синтезированная замкнутая система управления смесительным устройством полностью удовлетворяет требованиям, прдъяваленным в техническом задании. Так как объект управления является многосвязным, то была рассмотрена проблема взаимного влияния контуров. Были разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы САУ смесительного устройства.

На базе SCADA системы TRACE MODE разработана программа графического отображения производственных процессов, а также рассмотрена проблема архивация значений контролируемых параметров. Используемая SCADA система TRACE MODE по своему инновационному характеру превосходит все существующие аналоги.

В дипломном проекте рассмотрена проблема сопряжения верхнего и нижнего уровня АСУ тепличного комбината. Связь уровней АСУ реализована с помощью однопроводной сети MicroLAN, разработана структурная схема однородной сети АСУ тепличного комбината. В последнее время все больше разработчиков проявляют интерес этой технологии, что связанно, со следующими особенностями: несложный протокол, простая структура линии связи, легкое изменение конфигурации сети, значительная протяженность линий связи, исключительная дешевизна всей технологии в целом.

Также была рассмотрена проблема настройки сервера производственного контроля. В качестве сетевой операционной системы выбрана OC ASPLinux 7.3, что значительно повысило надежность всей системы в целом и значительно уменьшило её себестоимость.

Было установлено, что данная разработка полностью удовлетворяет всем требования по безопасности и экологичности.

В экономической части проекта были произведены оценка интегрального показателя качества, функционально-стоимостной анализ, расчет эффектов потребителя и производителя.

Список используемой литературы

1. «Математические основы теории систем автоматического управления», А.Р. Гайдук, Москва, 2002.
2. Учебно-методическое пособие по выполнению курсового проекта по дисциплинам «Автоматизированное управление в технических системах» и «Проектирование микропроцессорных систем промышленной электроники», Т.А. Пьявченко, Таганрог, 1999.
3. «Управление технологическими процессами производства микроэлектронных приборов», В.А. Пузырев, Москва, 1984.
4. П.И. Черныш «Локальные системы управления», Таганрог, 1993.
5. «Цифровые системы управления», П. Изерман, Москва, 1984.
6. Методические указания по разработке функциональных схем автоматизации технологических процессов и производств в курсовых и дипломных проектах, А.С. Клюев, Иваново, 1993.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter