Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы научных исследований в электроэнергетике. Учебное пособие
.pdf
встраиваемый GSM-модем, скорость доступа в этом случае определяется
протоколом связи.
Специальные конструкторские решения позволяют использовать регистратор ПАРМА РК 3.02 для наружного применения в сложных климатических условиях: температура окружающего воздуха от –40 до +55 ºС;
относительная влажность воздуха до 90 % при 30 ºС; атмосферное давление от 84,0 до 106,7 кПа.
Некоторые модели цифровых осциллографов являются приставками
к компьютерам, они выполняют функции присущие осциллографам (см.
пункт 3.4.7), но обработку и представление результатов измерений параметров электрических сигналов осуществляют компьютеры. Взаимодействие цифровых осциллографов с компьютером осуществляется по интерфейсам RS-232 или USB. Цифровые осциллографы с интерфейсом USB называются USB-осциллографами. Для отображения результатов измерений
в режиме реального времени, их записи и обработки используется специальное программное обеспечение.
Коммуникационные устройства обеспечивают обмен информацией между техническими средствами АСНИ. Коммуникационными устройствами являются:
- сетевые устройства (см. пункт 2.8.3);
- преобразователи;
- технические средства связи и проводные линии связи (см. пункт
3.4.14).
Преобразователи – устройства изменяющие форму представления
сигнала с сохранением содержания передаваемой информации. Преобразователи могут быть как самостоятельными устройствами, так и входить в
конструкции сетевых устройств и технических средств связи.
Усилитель является самым простейшим преобразователем, предназначенным для усиления входного сигнала (увеличения одного параметра
сигнала) до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного устройства или регистрирующих элементов, за счёт энергии вспомогательного источника.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразовывает электрический аналоговый сигнал в двоичные коды (кодовые слова) – цифровой сигнал. АЦП производит дискретизацию аналогового сигнала по времени, то есть преобразование непрерывного сигнала в последовательность
коротких импульсов с амплитудой, равной значению сигнала в моменты
стробирования (появления импульсов), и квантование – замену величины
каждого импульса из последовательности, полученной в результате дискретизации, целым числом шагов квантования, представляемым в двоичной системе счисления. Основными показателями работы АЦП являются:
частота дискретизации и шаг квантования. Чем больше частота дискретизации (величина обратная продолжительности импульса) и меньше шаг
131
квантования (величина аналогового сигнала, соответствующая одному
кванту), тем точнее кодовое слово отражает исходный аналоговый сигнал
и больше битов будет в нём.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) обеспечивает преобразование кодовых слов в аналоговый сигнал. АЦП и ЦАП обеспечивают
взаимодействие компьютеров и других микропроцессорных систем с аналоговыми устройствами.
Преобразователями являются устройства связи с объектом (УСО),
которые используются для подключения датчиков и исполнительных устройств систем автоматики к промышленным сетям, непосредственно к
ПЛК или компьютерам. Основные функции УСО:
- нормализация аналогового сигнала – приведение границ шкалы
первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов
входного сигнала аналого-цифрового преобразователя, наиболее распространены диапазоны напряжений 0…5; 0…10; −5…5 В; токов 0…5; 1…5;
0...20, 4…20 мА;
- предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала –
ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью
снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения, на производственных объектах наиболее распространены помехи с
частотой сети переменного тока, а также хаотические импульсные помехи,
вызванные влиянием на технические средства переходных процессов и наводок при коммутации исполнительных устройств повышенной мощности;
- обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала
и каналами связи;
- аналогово-цифровое и цифроаналоговое преобразования сигналов.
Типы УСО по направлению прохождения сигналов:
- устройства ввода – передача сигналов датчиков;
- устройства вывода – передача управляющих сигналов исполнительным устройствам;
- устройства двунаправленного действия: ввод сигналов от датчиков
и передача управляющих сигналов исполнительным устройствам.
Частотный преобразователь – электронное устройство, осуществляющее изменения частоты электрического тока (напряжения). Электронный преобразователь частоты состоит из схем, в состав которых входит
тиристор или транзистор, работающие в режиме электронного ключа. В
основе управляющей части находится микропроцессор, обеспечивающий
управление силовыми электронными ключами, а также выполнение вспомогательных функций: контроль, диагностика, защита. Выделяют два
класса частотных преобразователей:
- с непосредственной связью;
- с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
132
В преобразователях с непосредственной связью электрический модуль представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления
поочередно отпирает группы тиристоров. Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. Частота выходного напряжения у таких преобразователей не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она
находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Использование незапираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.
Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых модулях находят преобразователи с явно выраженным звеном
постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное
преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе,
фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД) и некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью. Для
формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной формы, как правило, методом широтно-импульсной модуляции
(ШИМ). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры и их усовершенствованные модификации, и биполярные транзисторы с изолированным затвором. Главным достоинством тиристорных преобразователей, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия, они
имеют более высокий КПД (до 98 %) по сравнению с преобразователями
на транзисторах.
Преобразователи интерфейсов (конвертеры) обеспечивают информационную совместимость различных видов устройств. Они служат для подключения устройств с интерфейсами RS-232/422/485 к COM-порту компьютера, для обеспечения гальванической развязки интерфейсов, для передачи данных в условиях электромагнитных помех и на большие расстояния.
Для совместной работы оборудования необходимо также установить связь
на программном уровне. Существуют различные типы преобразователей
интерфейсов:
- RS-232/RS-485/RS-422;
- RS-232/волоконно-оптический интерфейс;
- USB/RS-232/RS-485/RS-422;
- адресуемые преобразователи интерфейсов, которые могут также
выполнять функции сетевых устройств.
133
Средства промежуточной обработки информации. К ним относятся: ПЛК, микроконтроллеры, устройства сбора и передачи данных
(УСПД), цифровые осциллографы (при измерениях неэлектрических величин).
Программируемый логический контроллер (ПЛК) – промышленный
контроллер, который реализует прикладные программы управления исполнительными и сигнальными устройствами; прибор, включающий центральный процессор, основную память (ОЗУ, ПЗУ), вспомогательные устройства, интерфейсные средства и периферийные устройства (различные
преобразователи, устройства ввода и вывода сигналов), и используемый
для приёма сигналов от датчиков, их обработки и выдачи управляющих
сигналов исполнительным и сигнальным устройствам систем автоматики.
ПЛК имеют ряд особенностей. В отличие от микроконтроллеров областью применения ПЛК являются автоматизированные технологические
процессы, а не конкретная единица оборудования; ПЛК изготавливаются
как самостоятельные изделия, отдельные от управляемого оборудования;
на стадии эксплуатации для ПЛК можно разрабатывать программы и загружать их в ПЛК. В отличие от компьютеров, ориентированных на принятие решений и взаимодействие с оператором, ПЛК ориентированы на
работу с оборудованием через развитый ввод сигналов датчиков и вывод
сигналов на исполнительные устройства.
Для связи с датчиками, исполнительными и сигнальными устройствами ПЛК имеет несколько аналоговых и дискретных входов и выходов.
Количество контуров управления, которые могут быть реализованы ПЛК,
определяется количеством его выходов. Количество входов и выходов
ПЛК можно увеличить применением УСО, причём обмен информацией с
УСО может быть организован через промышленную сеть или непосредственно путём подключения УСО к системной шине ПЛК.
ПЛК управляет исполнительными и сигнальными устройствами посредством реализации прикладных программ. Для ввода информации и
управления ПЛК используется кнопочная панель, также ПЛК может иметь
встроенный дисплей. Ввод информации и управление ПЛК также осуществляется посредством компьютеров и операторских панелей.
ПЛК осуществляет обмен информацией с компьютером по интерфейсу RS-232 (интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 15 метров, подключается через COM-порт), а также
через промышленную или офисную сеть.
Количество и разнообразие ПЛК очень велико. Нет ни одной фирмы
в области автоматики и электроники, которая не выпускала бы собственные ПЛК. Тем не менее, все ПЛК объединяет их общая архитектура. ПЛК
представляют собой типичную микропроцессорную систему, в которой к
системной шине подключены общие для микропроцессорной системы устройства: центральный процессор, энергонезависимые часы, ОЗУ, ПЗУ,
134
АЦП, ЦАП, контроллеры (адаптеры) для подключения последовательного
порта (RS-232), офисной и промышленной информационных сетей.
ПЛК можно классифицировать на следующие группы:
- моноблочные простейшие (интеллектуальные реле);
- модульные;
- специализированные.
Моноблочные простейшие ПЛК являются самыми распространёнными. Характерными особенностями данного типа ПЛК являются небольшие размеры, сравнительно малая стоимость, небольшое число входов и
выходов, большинство из которых – дискретные. Поэтому эти ПЛК иногда
называют интеллектуальными реле. Кроме этого, все эти ПЛК имеют
встроенные контроллеры для подключения к промышленной и офисной
сетям, а также адаптер последовательного порта RS-232 для подключения
к компьютеру.
Большинство современных модульных ПЛК имеют возможность
расширения по системной шине через буфер (buffers) путём подключения
дополнительных модулей входа/выхода. В них модули входов и выходов
устанавливаются в разном составе и количестве в зависимости от требуемой конфигурации. Так достигается минимальная аппаратная избыточность. В распределённых системах модули или даже отдельные входы и
выходы, могут быть разнесены на значительные расстояния, образуя так
называемую полевую сеть.
Специализированные ПЛК предназначены для управления определенными объектами (котлами, насосами, холодильниками и т.д.), они характеризуются специальными входами и выходами для подключения конкретных устройств (термопары, терморезисторы и т.д.).
Все ПЛК работают по методу периодического опроса (сканирования)
входных данных. ПЛК опрашивает входы, выполняет пользовательскую
программу и устанавливает необходимые значения выходов. Таким образом, вычисления в ПЛК всегда повторяются циклически. Выполняемые
действия зависят от значения входов ПЛК, предыдущего состояния и определяются пользовательской программой.
Общая продолжительность рабочего цикла ПЛК называется временем сканирования. Время сканирования в значительной степени определяется длительностью фазы кода пользовательской программы. Время, занимаемое прочими фазами рабочего цикла, практически является величиной
постоянной. Для задачи среднего объёма время распределится примерно
так: 98 % – пользовательская программа, 2 % – всё остальное. Время реакции ПЛК – время с момента изменения состояния системы до момента выработки соответствующей реакции. Очевидно, для ПЛК время реакции зависит от распределения моментов возникновения события и начала фазы
чтения входов. Если изменение значений входов произошло непосредст-
135
венно перед фазой чтения входов, то время реакции будет наименьшим и
равным времени сканирования.
Микроконтроллеры являются элементами устройств, которыми они
управляют, выполняются в виде микросхем, встраиваемых в оборудование.
Особенность микроконтроллеров – размещение на одном кристалле центрального процессора, интерфейсных средств, периферийных и вспомогательных устройств. Интерфейсные средства обеспечивают выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода/вывода. Обмен данными между модулями микроконтроллера осуществляется по системной шине.
В состав периферийных устройств входят несколько аналоговых и
дискретных входов и выходов, предназначенных для подключения датчиков, исполнительных и сигнальных устройств, один или два последовательных порта, таймерный блок, АЦП, ЦАП, а также специализированные
устройства, такие как блок формирования сигналов с ШИМ, контроллер
жидкокристаллического дисплея и ряд других. Микроконтроллер также
может содержать блок основной памяти, включающий ОЗУ и ПЗУ.
Благодаря наличию основной памяти и периферийных устройств
реализуемые на базе микроконтроллеров системы управления, контроля,
защиты содержат минимальное количество дополнительных компонентов.
Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура 8, 16, 32-разрадных микроконтроллеров.
Разновидностью микроконтроллеров являются однокристальные
микро-ЭВМ. Основная архитектурная особенностью однокристальных
микро-ЭВМ – использование раздельной памяти программ (ПЗУ) и данных
(ОЗУ). Такое разделение позволяет упростить выполнение большинства
команд и повысить быстродействие. Однокристальные микро-ЭВМ выпускается обычно в нескольких вариантах:
- без ПЗУ, предназначен для макетирования микроконтроллеров раз-
работчиками;
- с масочным ПЗУ (программируемым однократно изготовителем);
- с однократно программируемым ПЗУ, предназначен для комплектации малых серий микропроцессорных устройств, для которых невыгоден
выпуск микро-ЭВМ с масочными ПЗУ;
- с перепрограммируемыми ПЗУ со стиранием информации, как
ультрафиолетовым облучением, так и электрическим сигналом.
Устройства сбора и передачи данных (УСПД) – многофункциональные устройства, работающие в автоматическом режиме в составе АСКУЭ
и АИИС КУЭ, осуществляющие сбор, обработку, хранение, представление
информации от счётчиков электроэнергии и обеспечивающие передачу
данных (по различным каналам связи) на вышестоящие уровни АСКУЭ и
АИИС КУЭ. УСПД должны обеспечивать одновременность снятия показаний со всех контролируемых счётчиков, для чего должны быть оснаще-
136
ны встроенной системой точного астрономического времени с индикацией
года, месяца, числа, часа, минут и секунд с автоматической его коррекцией
по сигналам точного времени.
Исполнительные устройства являются обязательными элементами
информационно-управляющих АСНИ. Исполнительные устройства воздействуют на объекты исследований для обеспечения их требуемых состояний при проведении экспериментов. Исполнительными устройствами
АСНИ являются: микропроцессорные устройства (оборудование со встроенными микроконтроллерами), электроприводы, электромагнитные реле,
тяговые электромагниты, электронагревательные приборы и другие технические средства. Выбор конкретного исполнительного устройства определяется особенностями объекта исследований и проводимого эксперимента.
3.5.3. Прикладное и инструментальное программное обеспечение
АСНИ
Программные продукты LabVIEW. LabVIEW – laboratory virtual
instrumentation engineering workbench (лаборатория виртуальных приборов)
– среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на
графическом языке программирования «G» фирмы National Instruments
(США). Первая версия LabVIEW была выпущена в 1986 году для Apple
Macintosh, в настоящее время существуют версии для Unix, Linux, Mac OS,
а наиболее развитыми и популярными являются версии для Microsoft
Windows.
LabVIEW используется в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами. LabVIEW очень близка к SCADA-системам, но в отличие от них в
большей степени ориентирована на решение задач в области АСНИ.
Графический язык программирования «G», используемый в
LabVIEW, основан на архитектуре потоков данных. Последовательность
выполнения операторов в таких языках определяется не порядком их следования (как в императивных языках программирования), а наличием данных на входах этих операторов. Операторы, не связанные по данным, выполняются параллельно в произвольном порядке.
Программа LabVIEW называется и является виртуальным прибором
и состоит из двух частей: блочной диаграммы, описывающей логику работы виртуального прибора; лицевой панели, описывающей внешний интерфейс виртуального прибора.
Виртуальные приборы могут использоваться в качестве составных
частей для построения других виртуальных приборов.
Лицевая панель виртуального прибора содержит средства вводавывода: кнопки, переключатели, светодиоды, верньеры, шкалы, информационные табло и т.п. Они используются человеком для управления вирту-
137
альным прибором, а также другими виртуальными приборами для обмена
данными.
Блочная диаграмма содержит функциональные узлы, являющиеся
источниками, приемниками и средствами обработки данных. Также компонентами блочной диаграммы являются терминалы («задние контакты»
объектов лицевой панели) и управляющие структуры (являющиеся аналогами таких элементов текстовых языков программирования, как условный
оператор «IF», операторы цикла «FOR» и «WHILE» и т.п.). Функциональные узлы и терминалы объединены в единую схему линиями связей.
LabVIEW поддерживает огромный спектр оборудования различных
производителей и имеет в своём составе (либо позволяет добавлять к базовому пакету) многочисленные библиотеки компонентов:
- для подключения внешнего оборудования по наиболее распростра-
нённым интерфейсам и протоколам (RS-232, TCP/IP и другим);
- для удалённого управления ходом эксперимента;
- для управления роботами и системами машинного зрения;
- для генерации и цифровой обработки сигналов;
- для применения разнообразных математических методов обработки
данных;
- для визуализации данных и результатов их обработки (включая 3D-
модели);
- для моделирования сложных систем;
- для хранения информации в базах данных и генерации отчетов;
- для взаимодействия с другими приложениями в рамках концепции
COM/DCOM/OLE.
Специальный компонент LabVIEW Application Builder позволяет
создавать LabVIEW-программы, пригодные для выполнения на тех компьютерах, на которых не установлена полная среда разработки. Для работы
таких программ требуется бесплатно распространяемый компонент
«LabVIEW Runtime Engine» и, при необходимости, драйверы используемых внешних устройств.
BridgeVIEW – разновидность LabVIEW, позиционируемая как полноценная SCADA-система и предназначенная для работы в составе
АСУТП. Ввиду отсутствия заметного коммерческого успеха, развитие системы прекращено.
LabVIEW RT – технология фирмы National Instruments, позволяющая
создавать средствами LabVIEW системы жёсткого реального времени.
Предусматривает взаимодействие LabVIEW-программы, работающей на
обычном персональном компьютере, и сверхбыстрого, сверхкомпактного
приложения, выполняющегося на микроконтроллере, встроенном в специализированное измерительное оборудование фирмы National Instruments.
LabWindows/CVI – продукт фирмы National Instruments. Лицевая панель виртуального прибора формируется также, как и в LabVIEW, а алго-
138
ритм работы виртуального прибора программируется на языке C.
LabWindows позволяет создавать автономно выполняющиеся exeпрограммы.
SCADA-системы. SCADA – supervisory control and data acquisition
(диспетчерское управление и сбор данных) – программный пакет, предназначенный для разработки и обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, представления и архивирования информации об
объекте мониторинга или управления. SCADA может являться частью
АСУТП, АСКУЭ, АСНИ, системы экологического мониторинга и т.д.
SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется
обеспечивать оперативный контроль за технологическими и рабочими
процессами в реальном времени. Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с объектом, использует драйверы
ввода и вывода или OPC/DDE-серверы. Программный код может быть написан на языке программирования (например, C++), или сгенерирован в
среде проектирования. Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным программным обеспечением для программирования ПЛК, такие
SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogic.
Основные задачи, решаемые SCADA-системами:
- обмен данными с УСО, ПЛК, микроконтроллерами в реальном
времени через драйверы;
- обработка информации в реальном времени;
- воспроизведение информации на экране монитора в понятной для
человека форме;
- ведение базы данных с технологической информацией;
- аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями;
- подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического про-
цесса;
- обеспечение связи с внешними приложениями (системы управления базами данных (СУБД), электронные таблицы, текстовые процессоры
и т.д.).
SCADA-система обычно содержит следующие подсистемы:
- драйверы или серверы ввода и вывода – программы, обеспечивающие связь SCADA с ПЛК, микроконтроллерами, счётчиками, АЦП и другими устройствами ввода и вывода информации;
- система реального времени – программа, обеспечивающая обработку данных в пределах заданного временного цикла с учетом приоритетов;
- человеко-машинный интерфейс – инструмент, который представляет данные о ходе процесса оператору, что позволяет ему контролировать
процесс и управлять им;
- программа-редактор для разработки человеко-машинного интерфейса;
139
- система логического управления – программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ (скриптов) логического управления
в SCADA-системе, набор редакторов для их разработки;
- база данных реального времени – программа, обеспечивающая сохранение истории процесса в режиме реального времени;
- система управления тревогами – программа, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории
нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером;
- генератор отчётов – программа, обеспечивающая создание пользовательских отчетов о технологических событиях, набор редакторов для их
разработки;
- внешние интерфейсы – стандартные интерфейсы обмена данными
между SCADA и другими приложениями, обычно OPC, DDE, ODBC, DLL
и т.д.
Термин SCADA обычно относится к централизованным системам
контроля и управления всей системой, или комплексами систем, осуществляемого с участием человека. Непосредственное управление процессом
обычно обеспечивается ПЛК, а SCADA управляет режимами работы. Например, ПЛК может управлять потоком охлаждающей воды, а SCADAсистема позволяет операторам изменять уставки для потока, менять маршруты движения жидкости, заполнять те или иные ёмкости, а также следить за тревожными сообщениями (алармами), такими как потеря потока и
высокая температура, которые должны быть отображены, записаны, и на
которые оператор должен своевременно реагировать. Цикл управления с
обратной связью проходит через ПЛК, в то время как SCADA-система контролирует полное выполнение цикла.
На мировом рынке представлено более 50 продуктов, которые можно
отнести к SCADA-системам, они различаются:
- по требуемой операционной системе, наиболее распространена
Windows (Linux, Mac OS встречаются намного реже для данного продукта);
- по количеству поддерживаемого оборудования, протоколов (почти
все SCADA поддерживают Modbus, LonWorks, BACnet, OPC, DDE, реже
протоколы специфического оборудования, со своим нестандартным протоколом типа счётчика электрической энергии Меркурий 230ART, климатического контроллера Danfoss ECL-300, приборы фирмы Овен и т.п.);
- по цене, по соотношению цена/качество, в общем случае на рынке
представлены как полностью бесплатные SCADA, недорогие SCADA, так
и дорогостоящие SCADA при максимальной комплектации и количестве
тегов более 5000 (WinCC, InTouch, Citect); частный случай условнобесплатные SCADA, c ограничением по времени работы без перезапуска
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]