6.Выбор элементов системы согласно структурной схеме

Согласно составленной структурной схеме мы имеем 9 датчиков различного назначения (температура, уровень, кислотность), персональный компьютер для оператора, управляющего технологическим процессом, четыре сервера и два коммутатора, опишем каждый элемент системы:

6.1 Перечень элементов и технические характеристики с указанием

параметра надежности элемента.

6.1.1 Датчики.

Термопреобразователь ТС-Б.

Предназначен для измерения температуры твердых, сыпучих, жидких и газообразных сред в различных областях народного хозяйства.

Номинальная статическая характеристика (НСХ) по ГОСТ 6651-94: Pt 50; Pt 100; Pt 500; Pt 1000.

Класс допуска по ГОСТ 6651-94 (Допускаемое отклонение сопротивления при 0°С, в %): А (±0,05); В (±0,1); С (±0,2).

Диапазон измеряемых температур, °С: от 0 до плюс 180; от минус 50 до плюс 200; от минус 50 до плюс 400.

Номинальное значение отношения сопротивления W100: 1,3850; 1,3910.

Диаметр монтажной части, D, мм: 5,5; 6; 8; 10.

Длина монтажной части, L, мм: от 27,5 до 3150.

Конфигурация внутренних соединительных проводов: 2-х, 3-х, 4-х проводная.

Материал защитной арматуры: сталь 12X18H10T или XH78T.

Наработка на отказ, ч: 65000.

Ёмкостный сигнализатор уровня Pointek CLS 100.

Используется для контроля уровня широкого диапазона сыпучих материалов, жидкостей, суспензий. Способен распознавать границу раздела фаз и поверхность пены. Использование для изготовления зонда материала KynarFlex® обеспечивает ему высокую химическую стойкость. Применение дополнительного защитного колпачка SensGuard позволяет защитить прибор от ударных нагрузок и истирания при работе с крупнодисперсными и абразивными сыпучими материалами. Монолитная герметичная конструкция позволяет применять его в условиях действия высокого уровня вибрации (до 4g), например, в резервуарах с перемешиванием.

Технические характеристики

● Температура контролируемой среды от –40 до +100°С

● Рабочее давление до 10 бар

● Воспроизводимость: 2 мм

● Степень защиты корпуса: IP65

● Крепление датчика: резьба NPT или BSPT

● Напряжение питания: 10_33 В пост. тока

● Минимальная диэлектрическая постоянная среды: 1,5

● Регулируемая чувствительность

● Взрывозащищённые исполнения

Наработка на отказ, ч: 57000.

Сенсор модели 371 pH/ORP EuroSenz™.

Комбинированный pH сенсор, не требующий технического обслуживания.  Модель 371 - это простой в обслуживании комбинированный электрод, конструктивные особенности которого позволяют увеличить долговечность при использовании в процессах очистки сточных вод, коагуляции и флокуляции, лакокрасочных производствах и в других средах, где присутствуют большие количества твердых взвешенных частиц. В результате использования промышленно-испытанной TupH технологии создана диафрагма солевого мостика с большой поверхностью, которая в 400 раз превышает поверхность обычно используемой диафрагмы из фритты, и это обеспечивает надежные измерения рН среды вследствие постоянного контакта между измерительным элементом и технологической средой. Модель 371 - это единая конструкция, изготовленная из прочного полипропилена, устойчивая к повреждениям. Электрод герметизирован при помощи материала EPDM и снабжен резьбовым соединением PG 13.5 со свободно-вращающимся соединительным узлом VP 6.0 (для подсоединения встроенного термокомпенсатора) или разъемом Eurocap. Accu Glass pH мембрана характеризуется низкой способностью к растрескиванию, что увеличивает срок службы электрода.

Наработка на отказ, ч: 76000.

6.1.2 Модули, платы и микроконтроллеры.

Микроконтроллер 6010.

Это простой, дешевый и надежный процессорный модуль, предназначенный для использования в качестве вычислительного ядра промышленных контроллеров. Технические характеристики: - микропроцессор KU80386SX-40; - статическое ОЗУ 1 Мбайт; - FLASH-диск объемом 800 кбайт; - поддержка DiskOnChip 2000; - СОМ1/СОМ2 - RS-232C 115 кбит/сек; - СОМ3/СОМ4 - RS- 422/485 115 кбит/сек; - энергонезависимые часы астрономического времени; - сторожевой таймер; - локальная шина расширения PC/104, разрядность шины данных 16 бит; - системная шина ISA 8 бит; - питание +5В, 500 мА; - операционная система PTS-DOS 6.70, время загрузки ОС 3 сек; - диапазон рабочих температур 0…+70°С, -40°…+85°С.

Наработка на отказ, ч: 100000.

Периферийный модуль AI16-5.

14-разрядный модуль аналогового ввода-вывода с гальванической изоляцией. Модуль предназначен для преобразования аналоговых сигналов (напряжение или ток) в 14-разрядный дополнительный код, а также для формирования

выходных аналоговых сигналов.

Основные характеристики:

● 16 однопроводных (напряжение) или 8 дифференциальных (напряжение

или ток) каналов аналогового ввода с программируемым типом подключения

и групповой гальванической изоляцией

● Диапазоны входных сигналов: ±10 В; ±5 В; ±2,5 В; ±1,25 В; ±80 мА;

±40 мА; ±20 мА; ±10 мА; или ±10 В; ±1 В; ±0,1 В; ±0,01 В; ±80 мА; ±8 мА;

±0,8 мА; ±0,08 мА

● 2 канала аналогового вывода с групповой гальванической изоляцией

● Диапазоны выходных сигналов: 0...5 В; ±5 В; 0...10 В; 0...20 мА; 4...20 мА

● АЦП с разрешением 14 разрядов

● ЦАП с разрешением 12 разрядов

● Программируемые коэффициенты усиления 1; 2; 4; 8 для моделей -1/-3;1;

10; 100; 1000 для моделей -2/-4

● Скорость преобразования для N каналов 100000/N выборок в секунду (только

с CPU фирмы Fastwel)

● Аппаратное усреднение 2, 4, 8 или 16 выборок

● Автосканирование входов

● Буфер FIFO выборок размером 1024 слова

● Защита от перенапряжения по каждому входу –35/+50 В

● 8 линий дискретного вывода с групповой гальванической изоляцией

● Напряжение изоляции от системы 1000 В

● Напряжение питания 5 В ±5%

● Потребляемый ток не более 350 мА для AI16_5A_1 (_2), 400 мА

для AI16_5A_3 (_4)

● Диапазон рабочих температур от –40 до +85°С

● Время безотказной работы — не менее 100 000 часов

Плата гальванической изоляции каналов дискретного ввода

TBI-24/0С.

Плата предназначена для обеспечения ввода сигналов с датчиков в устройство обработки и вывода сигналов для пропорционального управления исполнительными механизмами.

Основные характеристики:

● 24 канала ввода дискретных сигналов

● Уровни входного сигнала ±3…52 В (5 поддиапазонов)

● Минимальный ток включения канала 4 мА

● Задержка входных сигналов: 100 нс

● Контроль цепей типа «сухой» контакт с использованием внутреннего

источника 9 В

● Напряжение питания 5 В ±10%

● Потребляемый ток: 250 мА,

● Диапазон рабочих температур от –40 до +85°C

● Время безотказной работы — не менее 100 000 часов

Персональный компьютер Excimer Pro (операционная система Windows 2000).

Общая характеристика:

- Процессор AMD Athlon64 3200+ 2000Mhg;

- M/b Abit MV8 Ultra;

- Оперативная память 1024Мб;

- Жесткий диск 300 Gb;

- DVD+/-RW;

- Видеоадаптер PCI-E Radeon X800 128Mb;

- Монитор 19”;

- Наработка на отказ ч.: 43500.

Контроллер локальной сети Ethernet.

Высокопроизводительный адаптер 5500 сети Ethernet является узловым контроллером, который выполняет операции управления буферизацией, обнаружения конфликтов, и извещения об ошибках. В модуле реализованы алгоритмы Манчестерского кодирования/декодирования и параллельно-последовательное преобразование информации. Контроллер Ethernet фирмы SMC имеет сертификат совместимости с Novell.

Основные характеристики

 Поддержка стандартов: IEEE802.3/ANSI8802-3 и Ethernet

 Сетевые интерфейсы: 10Base-2, 10Base-T, A.U.I.

 Сертификат совместимости с Novell

 Магистраль ISA: 8 разрядов

 Номер прерывания: IRQ4 ... IRQ7, IRQ10

 Базовый адрес ввода/вывода: устанавливается перемычками в одно из 8 значений

 Розетка для установки BIOS-ПЗУ сетевой загрузки

 Диапазон рабочих температур: -40 ... +85°C

 Диапазон температур хранения: -50 ... +90°C

 Относительная влажность воздуха: 5 ... 95 % при 25°C без конденсации влаги

 Питание: 5 В, 350 мА (макс.)

 Среднее время наработки на отказ, ч.: 380000.

8-канальный модуль последовательного интерфейса.

Модуль 5558 является 8-канальным модулем последовательной связи. Предназначен для применения в устройствах основным назначением которых является интенсивный обмен данными по нескольким последовательным линиям одновременно.

Основные характеристики:

 Количество каналов: 8 (модуль 5558);

 Тип УАПП: совместимое с 16C554

 Тип интерфейса: RS-232/422/485 (у двух портов); RS-232 (у всех остальных)

 Емкость буферов FIFO для приема/передачи: 16 байт

 Базовый адрес модуля: устанавливается переключателями в одно из 4 значений

 Скорость обмена данными: 300 ... 115200 бит/с

 Диапазон прерываний: IRQ3 ... IRQ7

 Количество прерываний: одно/два (5558)

 Сигналы интерфейса RS-485/422: R-, R+, T-, T+

 Сигналы интерфейса RS-232C: RxD, TxD, DCD, DSR, DTR, CTS, RTS, DCD, RI

 Внешние соединители: IDC-10 (4/8 шт.), клеммные колодки для RS-485/422

 Диапазон рабочих температур: -40 ... +85°C

 Диапазон температур хранения: -55 ... +90°C

 Относительная влажность воздуха: 5 ... 95 % при 25°C без конденсации влаги

 Питание: 5558: 5 В, 161 мА (макс.)

 Среднее время наработки на отказ, ч.: 754000.

6.2 Блок-схема алгоритма опроса датчика.

Описание алгоритма опроса датчиков:

После запуска технологического процесса идет ввод параметров с датчиков, установленных в блоках. Затем на серверах блоков идет обработка информации параметров, которая поступает в коммутационный блок для последующего её распределения, после чего информация поступает на экран ПК оператора следящего за ТП, а также становится доступной пользователям информационно-технологической системы.

6.3 Данные по элементам сведенные в таблицу.

Наименование элемента	Тип	Интенсивность отказов λ
датчик температуры	ТС-Б	0.000015
датчик уровня	Pointek CLS 100	0.000018
датчик кислотности	371 pH/ORP EuroSenz™	0.000013
микроконтроллер	6010	0.00001
модуль аналогового ввода	AI16-5	0.00001
плата дискретного ввода	TBI-24/OC	0.00001
персональный компьютер	Excimer Pro	0.000023
Контроллер локальной сети Ethernet	5500	0.0000026
8-канальный модуль последовательного интерфейса	5558	0.0000013

6.4 Обоснование выбора микропроцессора, его структурная схема и

основные характеристики.

Процессоры 386SX выпускались в корпусах PQFP. Их интерфейс отличается от 8086 применением раздельных шин адреса и данных, конвейерной адресации, а также составом и назначением управляющих сигналов. По сравнению с интерфейсом 80286 появилась возможность динамического управления разрядностью шины данных и конвейеризацией адреса, изменился состав управляющих сигналов, назначение которых стало более отчетливым, поэтому остановить свой выбор именно на этой модели было бы разумнее всего.

Упрощенная структурная схема микропроцессора и вид исполнения в корпусе PQFP.

Основные характеристики:

 Процессор: Ali 386SX/40 МГц

 BIOS: Phoenix BIOS с промышленными расширениями

 ОЗУ: 4 Мб на плате

 Шина расширения: PC/104 для подключения 8 и 16-разрядных модулей расширения (до 3-х модулей)

 НГМД: поддерживается через параллельный порт

 Твердотельные диски:

o SSD0 Установлен на плате Емкость: 512 кбайт

o SSD1 Розетка для установки DiskOnChip Емкость: 2 ... 144 Мбайт

o SSD2 Розетка для установки микросхем статического ОЗУ Емкость: 128 или 512 кбайт

 Последовательные порты: два (RS-232, RS-485, с защитой от повреждения электростатическим разрядом)

 Параллельный порт: один универсальный параллельный порт (SPP/EPP/ECP) с защитой от повреждения электростатическим разрядом и перегрузкой; поддерживает интерфейс НГМД

 Интервал срабатывания сторожевого таймера: фиксированный 1.2 с

 Встроенные часы с внешней батарейной поддержкой

 Возможна установка в закрытых корпусах без применения принудительного охлаждения

 ППЗУ с последовательным доступом: 768 слов для прикладных программ

 Диапазон рабочих температур: -40 ... +70°C

 Диапазон температур хранения: -50 ... +85°C

 Относительная влажность воздуха: 5 ... 95 % при 25°C без конденсации влаги

 Питание: (5±0.25)В, 800 мA (макс.)

 Среднее время наработки на отказ: 13 лет

 Размеры: 95.38 х 90.17 x 25.4 мм

 Масса: 100 г. (без SODIMM и DOC)

 Вибрация до 6g, удары до 40g (11 мс)

Применение интерфейса RS485.

При автоматизации узлов учета расхода жидкости и газа, а также при автоматизации поверочных установок для расходомеров и счетчиков мы часто сталкиваемся с проблемой сбора данных от датчиков, сильно разнесенных в пространстве. Система обычно должна собирать данные о температуре, давлении и др. источников и обрабатывать их по соответствующему алгоритму. В качестве центрального процессора мы применяем обыкновенный офисный компьютер, как в силу своей распространенности, так и чисто по экономическим соображениям.           Целесообразнее всего применить несложные контроллеры, которые устанавливаются недалеко от датчиков, например в шкафах управления, которые производят измерения и передавали бы данные в компьютер по каналу связи. Выгоднее всего оказалось применить в качестве канала связи последовательный интерфейс, так как для этого требуется более дешевый кабель с меньшим числом проводов, что в свою очередь облегчает задачу гальванической развязки. В начале наши системы строились на базе интерфейса RS232, но ряд ограничений, налагаемых применением интерфейса, таких как небольшая дальность передачи данных (10 метров) и трудность при построении многоточечной сети при наличии в компьютере одного свободного COM-порта привели нас к применению интерфейса RS485. Основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметр	Значения
1. Тип линии связи	симметричная
2. Выходное напряжение передатчика без нагр., В	± (1,5...6)
3. Выходное напряжение передатчика на нагр. Rn = 5 Om, В	± (1,5...6)
4. Ток короткого замыкания на общий провод, mA	менее 250
5. Синфазное напряжение на выходе передатчика, В	-1...+3
6. Синфазное напряжение на входе передатчика, В	-7...+11
7. Чувствительность приемника, В	± 0,2 *
8. Входное сопротивление приемника, kOm	более 12
9. Максимальная длина кабеля, м	1200
10. Максимальная скорость передачи, Мб/с	10 **
11. Число приемников, нагружаемых на один передатчик	32

* В случае применения оптронной развязки чувствительность может оказаться ниже порядка 0,5 В из-за падения на переходе входного светодиода. ** В таблице приведены данные стандарта EIA RS485. Реальная скорость зависит от длины кабели и применяемых схем передатчиков и приемников.

Передача полезного сигнала осуществляется изменением направления протекания тока (1 - в прямом направлении, 0 - в обратном, рис.1).

рис.1

В неактивном состоянии передатчик переводится в 3-е состояние с высоким импендансом. Обычно вход приемника и выход передатчика объединены вместе и связь осуществляется по двум проводам (витой паре). Кроме того, прокладывается и третий провод, так называемый дренажный проводник, который присоединяется к сигнальным землям каждого устройства. Допускается непосредственное присоединение сигнальной земли к точкам с нулевым потенциалом (корпусная земля) на устройстве, но только в случае гарантированного равенства потенциалов земли в местах размещения оборудования системы. Для большей помехозащищенности провода рекомендуется поместить в экран. Не следует использовать экран в качестве дренажного провода. Возможно увеличение дальности передачи числа устройств до 256 при применении репитеров. Программная реализация - клиенты сети подключаются простым подсоединением к витой паре с соблюдением полярности. В этом случае возможен конфликт, когда могут работать передатчики нескольких устройств. Он решается чисто программными методами. Дело в том, что при реализации интерфейса RS485 существует главное устройство, именуемое хостом и устройства, которыми оно управляет - клиенты. Каждому клиенту обычно присваивается уникальный адрес. Клиенты изначально находятся в состоянии приема сигнала. Хост посылает в сеть команду, в начале которой указывается адрес клиента, которому она предназначается. Команда выполняется только в случае совпадения адреса клиента и адреса, указанного в самой команде. Остальные устройства находятся в пассивном состоянии. Стандарт EIA RS485 определяет только электрические и физические характеристики интерфейса. Программная же реализация определяется конкретным применением. В нашем случае удобнее всего было применить протокол обмена интерфейса RS232. Временная диаграмма передачи байта изображена на рис.2.

рис.2

В этом случае с точки зрения программиста обмен между устройствами ничем не отличается от обмена по RS232, что позволяет использовать одни и те же драйвера. В наших разработках в основном используются промышленные модули снятия сигнала фирмы Fastwel и Grayhill. В этих модулях обмен осуществляется в ASCII-кодах. Команда передается в следующем формате: в начале идет символ - признак команды (обычно это один из редко используемых символов #, $, ~ и т.д), затем два байта - адрес модуля, к которому идет обращение. Далее следует код команды. Вся посылка завершается кодом CR - "перевод каретки"(0Dh). После выполнения команды модуль посылает ответ опрашивающему устройству, подтверждающий успешное выполнение или ошибку.

Подобную систему команд мы применяем и для разработанных нами контроллеров. Построение команд способом, изложенным выше, позволяет использовать для контроля и настройки оборудования любую терминальную программу, не используя при этом специального программного обеспечения, например, терминал из Norton Commander'a версии 5.0.