Разработка автоматизированного измерительного диагностического комплекса «Стенд испытаний БПН -115»

глава 1. Общее описание стенда
1.1.Описание существующего стенда
1.2.Недостатки и необходимость разработки нового стенда
глава 2
2.1.Основные требования к испытательным стендам
2.2.Структурная и функциональная схема разрабатываемого стенда
2.3.Описание и технические характеристики разрабатываемого стенда
глава 3.
3.1.Человеко-машинный интерфейс разработанного стенда
3.2.Порядок проведения испытаний с разработанным стендом.
глава 4. Безопасность жизнедеятельности
глава 5. Экономика
Заключение
Список Литературы

Разработка автоматизированного измерительного диагностического комплекса «Стенд испытаний БПН -115»

Данная ситуация дала толчок к появлению микропроцессорных систем автоматизированного управления и использованием полевых шин, объединяющих интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные механизмы. Аналогичный подход предлагается применить и к задача анализа качества изделий машиностроительного производства.Что же такое полевые шины? Во-первых это некий физический способ объединения устройств (например, интерфейс RS-485 или оптоволокно) и во-вторых, это программно-логический протокол их взаимодействия. Причем весовой коэффициент программно-логических протоколов по отношению к физической среде, в общем понимании такого термина, как fieldbus, составляет не менее 95% [5].Несмотря на то, что полевые шины появились более 15 лет назад, абсолютно доминирующими в управлении технологическими процессами они еще не стали. Причина этого – отсутствие единого международного стандарта на протокол промышленной сети, который мог бы гарантировать полную взаимозаменяемость и совместимость изделий различных производителей. Начало к стандартизации в сфере промышленных протоколов для полевых шин было положено в 1984 годы, когда международная электротехническая комиссия начала процесс разработки единого универсального стандарта промышленной сети. Это процесс закончился принятием стандарта EN50170 в качестве европейского стандарта промышленной сети (European Fieldbus Standard). EN50170 включил в себя три национальных стандарта в области промышленных сетей: Profibus (Германия), FIP (Франция) и P-NET (Дания). Все эти решения подверждены национальными стандартами.На сегодняшний день на рынке существуют следующие широко распространенные промышленные сети: CAN, LON, Interbus-S, EIB, DeviceNet, ASI, HART. Все ои имеют свои особенности и области применения. Однако исторически сложившимся, другими словами стандартом де-факто, в нашей стране стал протокол Profibis-DP. И именно его предлагается использовать в качестве протокола обмена между отдельными рабочими местами ОТК и центральным компьютером ОТК.Данная шина отвечает стандартным требованиям, предъявляемым к промышленным сетям:Работа в режиме реального времени.Применение стандартных интерфейсов передачи данныхДецентрализованное управление.Поясним эти требования.Любая система на основе данных, поступающих от датчиков, вырабатывает определенные команды на исполнительные механизмы, на средства сигнализации. При этом необходимо, чтобы время, прошедшее с момента измерения, до начала работы исполнительного механизмы согласно поступившей на него команде было настолько мало, чтобы величина измеряемая датчиком не успела измениться. Это время складывается из времени измерения датчиком требуемой величины, времени передачи данных прикладной программе, времени обработки данных прикладной программой, времени передачи данных исполнительному механизму и времени срабатывания исполнительного механизма. В результате необходимо учитывать все эти факторы, которые влияют на время реакции исполнительного механизмы. Если общее время больше времени изменения величины датчика и известно каждое слагаемое этой величины, то можно учесть это в программе и тем самым улучшить динамику системы. Поэтому при выборе элементной базы для построения системы анализа качества необходимо учитывать этот фактор.Более критичным, чем общее время, фактором являются фазовые флуктуации – непредсказуемое варьирование времени передачи данных, которое заметно мешает анализ процесса. Чаще всего их причиной является прикладная программа и процесс передачи данных, реже – датчики и исполнительные механизмы [6]. Фазовые флуктуации, возникающие в процессе передачи данных могут иметь самую различную природу. Маркерным методам доступа характерны фазовые флуктуации, зависящие от конкретного протокола и загруженности шины. Фазовые флуктуации, зависящие от нагрузки на шину, возникают и при использовании метода множественного доступа (CSMA) или из-за появления коллизий (в обоих случаях причиной является высокая нагрузка на шину). Фазовые флуктуации, возникающие при высокой нагрузке, зависят от времени занятия шины отдельными устройствами. Это время, в свою очередь, зависит от длины сообщения и от скорости передачи данных. Практически все протоколы реализованные как аппаратно, так и программно, порождают зависящие от конкретной реализации фазовые флуктуации. Их можно избежать только при централизованном управлении доступом к среде передачи данных, но в этом случае увеличивается среднее время задержки. Особенно это заметно при небольшой нагрузке на шину [6]. Таким образом, факторами, влияющими на скорость передачи данных и их достоверность, являются общее время реакции и фазовые флуктуации. Для обеспечения возможности работы системы качества в режиме реального времени необходимо соблюдать и учитывать следующие особенности:Вид передающей среды. Используемые устройства обработки информацииПротокол передачи данных.Способы доступа к шине.Подводя итог рассуждениям относительно выбора типа сети, следует сделать вывод: для создания системы контроля ответственных изделий необходимо использовать проверенные и надежные программно-технические решения.Рассмотрим теперь более подробно основные характеристики выбранной полевой шины (PROFIBUS).Сетевые решенияШироко известным способом для объединения различных электронных средств в единую автоматизированную систему является передача данных по интерфейсу RS-485. Нужно заметить, что это наименование является устаревшим (RS – означает рекомендованный стандарт) и в настоящее время этот интерфейс следует называть EIA/TIA-485. Однако многие производители технических средств и организации, занимающиеся проектированием и наладкой оборудования систем автоматизации продолжают называть этот интерфейс RS-485, исходя из этого в дальнейшем тексте работы будет использоваться именно это название.В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных часто используется единственная витая пара проводов. В основе построения интерфейса лежит диффернциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от «земли», а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data+ и Data- (рис. 2). при этом напряжение каждой линии относительно «земли» может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон -7…+12В.Рис. 2. Соединение трех устройств с интерфейсом RS-485 по двухпроводной схемеСтандарт RS-485 оговаривает только электрические характеристики, физический уровень (среду), но не программную платформу. Стандарт RS-485 не оговаривает: возможность объединения несимметричных и симметричных цепей, параметры качества сигнала, уровень искажений (%), методы доступа к линии связи, протокол обмена, аппаратную конфигурацию (среда обмена, кабель), типы соединителей, разъёмов, колодок, нумерацию контактов, качество источника питания (стабилизация, пульсация, допуск), отражённость, уровень сигнала (reflect). На основе данного интерфейса построены шины, наиболее широко распространенные на сегодняшний день в промышленной автоматизации.Одним из отличий интерфейса RS-485 от других существующих на рынке (например, RS-232C, токовая петля, HART) является необходимость использования оконечных резисторов, так называемых терминаторов (терминальных резисторов). В промышленных преобразователях интерфейса RS-232 в RS-485 согласующие резисторы обычно уже установлены внутри изделия и могут отключаться микропереключателем. Применение согласующих резисторов имеет один важный недостаток: при длине кабеля 1 км его омическое сопротивление (для типового стандартного кабеля) составит 97 Ом. При наличии согласующего резистора 120Ом образуется резистивный делитель, который примерно в 2 раза ослабляет сигнал и ухудшает отношение сигнал/шум на входе приемника. Поэтому при низких скоростях передачи (менее 9600 кбит/сек) и большом уровне помех терминальный резистор не улучшает, а ухудшает надежность передачи.Топология сетей на основе интерфейса RS-485 определяется необходимостью устранения отражений в линии передачи. Поскольку отражения происходят от любой неоднородности, в том числе ответвлений от линии, то единственно правильной топологией сети будет такая, которая выглядит как единая линия без отводов, к которой не более чем в 32 точках подключены устройства с интерфейсом RS-485 (рис. 3, а). Любые варианты, в которых линия имеет длинные отводы или соединения нескольких кабелей в одной точке (рис. 3, б), приводят к отражению и снижению качества передачи.абРис. 3. Правильная Топология сети на основе интерфейса RS-485 а – правильная топология, б – неправильная топология; квадратиками обозначены устройства с интерфейсом RS-485Однако нужно заметить, что, несмотря на достоинства этого интерфейса, а также на то, что он используется в различных типах протоколов, таких как PROFIBUS, Modbus и т.п., он обладает и рядом недостатков:данный интерфейс имеет ограниченную длину сегмента (до 1200м);данный интерфейс имеет скорость передачи, которая уменьшается с увеличением длины сегмента (10 Мбит/с 10м, но уже при длине сегмента в 1200 м максимальная скорость передачи составит лишь 62,5 кбит/с).электромагнитная защищенность зависит от типа кабеля (от его категории: степень экранирования и скрутки витой пары).стандарт RS-485 допускает подключение не более 32 приемников к одному передатчику.Способом преодоления этих недостатков широко известны: во первых, это применение беспроводных линий связи, а также оптоволоконных линий связи. Однако беспроводная связь, к сожалению, также обладает рядом недостатков:отсутствие гарантии времени доставки сообщений в заранее известное время; плохая помехозащищенность;ограниченная дальность связи (Bluetooth/IEEE802.15.1 – 10м, ZigBee/IEEE 802.15.4 – 10 м, Wi-Fi/IEEE 802.11 – 100м);резкое падение пропускной способности;плохая информозащищенность.Для оптоволоконных линий главным недостатком является их высокая стоимость.Исходя из этого, наиболее предпочтительным способом организации связи будет связь по проводным линиям связи, используя специализированные промышленные протоколы, такие, например, как шина Profibus-DP.Шина Profibus.Шина PROFIBUS использует интерфейс передачи RS485, базирующийся на полудуплексной, асинхронной синхронизации. Данные передаются внутри 11-разрядного кадра (рис. 10) в NRZ-коде (N on Return to Zero). Значения сигнала (биты) не изменяются во время передачи сигнала. В то время, как передача бинарного значения «1» соответствует положительному значению на проводнике RxD/TxD-P (Receive/Transmit-Data-P), напротив, на проводнике RxD/TxD-N (Receive/Transmit-Data-N) присутствует «0». Состоянию покоя между отдельными телеграммами соответствует двоичный сигнал “1”.Шинные провода данных с обеих сторон замкнуты на согласованные нагрузки (рис.4). Благодаря этим сопротивлениям устанавливается безопасный потенциал покоя на проводах шины, когда участники не обмениваются сообщениями (потенциал покоя между телеграммами). Шинные нагрузки имеются почти во всех стандартных разъемах PROFIBUS и могут быть активизированы с помощью переключателей. Рис. 4. Структура шинного сегмента RS485В литературе часто также оба проводника PROFIBUS обозначают как А-проводник и В-проводник. При этом А-проводник соответствует RxD/TxD-N, а В-проводник - RxD/TxD-P.Рис. 5. Структура сигнала при передаче NRZ- кодомВ таблице 3 приведена максимально допустимая длина провода (длина сегмента) системы PROFIBUS. Эта длина зависит от скорости передачи. Внутри сегмента может быть до 32 участников. Таблица 3Скорость передачи (kBit/s)9,6-187,5500150012000Длина сегмента (м)1000400200100Спецификации PROFIBUS-кабеля типа АТаблица 4Волновое сопротивлениеОт 135 до 165 Оm при частотах измерения от 3 до 20 MHzПогонная емкость< 30pF/mПлощадь сечения> 0,34 mm , соотв. AWG22Тип кабеляВитая пара, 1x2 или 2x2 или 1x4 проводаПогонное сопротивление< 110 Om/kmЗатухание сигналаMax 9dB на всей длине отрезка проводаЭкранированиеМедная оплетка или оплетка и экран из фольгиВ качестве стандарта для подключения участников к шине в нормах PROFIBUS EN 50170 рекомендуется 9-и штырьковый штекер, назначение контактов которого приведено в таблице 5. Назначение контактов штекера шины ProfibusТаблица 5Вид№ Пров.Название сигналаОбозначение1SHIELDЭкран, напр., земля2M24-24v3RxD/TxD-PПрием/передача данных, плюс, провод В4CNTR-PСигнал для управления направлением передачи, плюс.5DGNDДанные6VPНапряжение питания, плюс7P24+24v8RxD/TxD-NПрием/передача данных, минус, провод А9CNTR-NСигнал для управления направлением передачи, минус.Сети PROFIBUS были разработаны специально для использования в условиях промышленного производства, и одним из их главных свойств является защищённость от электромагнитных помех, в результате чего достигается высокая степень достоверности передаваемых данных. Для достижения этой защищённости необходимо следовать ряду руководящих документов фирмы-производителя при конфигурировании электрических сетей.Рис. 6. Сечение стандартного FC кабеля, используемого для связи между пультом управления и преобразователямиБлагодаря комбинации витой пары, экрана из фольги и медной оплетки, кабель особенно хорошо подходит для применения в промышленности в условиях электромагнитных помех. Конструкция кабеля также обеспечивает стабильность электрических и механических характеристик после монтажа кабеля. Благодаря составу материала своей оболочки, кабель ЛВС обладает следующими характеристиками:ОгнестойкостьНе поддерживает горение при воздействии огняУсловная стойкость к минеральным маслам и смазкамМатериал оболочки содержит галогеныКабель ЛВС предназначен для стационарного монтажа в зданиях (прокладка внутри помещений). Шинные штекеры требуются для подключения кабелей PROFIBUS к 9–контактным sub–D разъемам. Степень защиты IP 20. На рис. 7 приводится внешний вид штекера шины Profibus, а в таблице 4 технические характеристики данного штекера. В станции управления используются штекеры только такого вида (каждый штекер, содержит разъем для подключения инженерной станции для более оперативного проведения пусконаладочных работ, а также для поиска и ликвидации неисправностей в последующей эксплуатации).Рис. 7. Внешний вид штекера шины Profibus.Технические характеристики штекера для шины ProfibusТаблица 6Наименование характеристикиЗначение параметраРазъём для PGдаМакс. скорость передачи12 Мбит/сОконечное сопротивление с функцией отключениявстроеноВыход для кабелявертикальныйИнтерфейсы•для узла PROFIBUS•для кабеля ЛВС PROFIBUS9–контактный sub–D вилочный разъём;4 модульных клеммы для проводов диаметром 2 до 1.5 мм2Допустимый диаметр кабеля PROFIBUS8 ± 0.5 ммНапряжение питания (должно поступать от ТПД)4.75 - 5.25 В DCПотребляемый токмакс. 5 мАДопустимые условия• Рабочая температура• Температура транспортировки хранения• Относительная влажность0 °C - +60 °C–25 °C - +80 °Cмакс. 75 % при +25 °CГабариты (в мм)15.8 x 54x 34Весприблиз.40 гПри организации шины Profibus-DP необходимо правильно устанавливать оконечные сопротивления: крайние узлы станции (шинный штекер располагается в начале или конце сегмента) должны иметь положение ON, на всех промежуточных штекерах данный переключатель должен быть установлен в положение OFF (рис. 8).Рис. 8. Включение/отключение оконечного сопротивления на штекере шины ProfibusНа станции, имеющие оконечные сопротивления, при вводе в работу сети и при эксплуатации всегда необходимо подавать напряжение питания.Описание и технические характеристики разрабатываемого стендаВ качестве программируемого логического контроллера в данной системе применяется CPU 315-2 DP. Внешний вид данного устройства приведен на рис. 9. Данный контроллер соответствует требованиям, предъявляемым к подобным электронным средствам.Рис. 9. Элементы управления и индикации процессорного модуля S7-315-2 DP.1 – гнездо для платы микропамяти (MMC), включая выбрасыватель2 – 2-ой интерфейс X2 (DP)3 – разъем для блока питания4 – 1-й интерфейс X1 (MPI)5 – переключатель режимов работы6 – индикаторы состояния и ошибокПереключатель режимов работы используется для установки режима работы процессорного модуля.В табл. 7 приводятся возможные состояния установки переключателя.Табл. 7ПоложениеЗначениеОписаниеRUNРежим RUNCPU исполняет программу пользователя.STOPРежим STOPCPU не исполняет программу пользователя.MRESСброс памяти CPUНефиксируемое положение переключателя режимов работы для сброса памяти CPU. Сброс памяти CPU с помощью переключателя режимов работы требует выполнения специальной последовательности действийПроцессорный модуль снабжен 2-полюсной штепсельной розеткой для подключения блока питания. При поставке в эту розетку уже вставлена штепсельная вилка с винтовыми клеммами.В гнездо для платы микропамяти SIMATIC устанавливается плата микропамяти SIMATIC (Micro Memory Card – MMC), которая используется в качестве модуля памяти. MMC может использоваться как загрузочная память, а также как перемещаемый носитель данных. У процессорного модуля данного типа нет встроенной загрузочной памяти, поэтому для работы они требуют MMC.Загрузочная память размещается на плате микропамяти. Ее величина точно соответствует размеру MMC. Она служит для хранения кодовых блоков и блоков данных, а также системных данных (конфигурации, соединений, параметров модулей и т.д.). Блоки, обозначенные как неисполняемые, хранятся исключительно в загрузочной памяти. Кроме того, на MMC могут храниться конфигурационные данные всего проектаЗагрузка пользовательских программ и, тем самым, эксплуатация процессорного модуля возможна только со вставленной MMC. Системная память встроена в процессорный модуль и не может быть расширена. Она содержит:области операндов: битов памяти (меркеров), таймеров и счетчиков;образы процесса на входах и выходах;локальные данные.Рабочая память встроена в контроллер и не может быть расширена. Она служит для исполнения кода и обработки данных программы пользователя. Обработка программы происходит исключительно в области рабочей и системной памяти. Рабочая память всегда является сохраняемой.Используемый в данном проекте процессорный модуль снабжен не требующей обслуживания сохраняемой памятью, т.е. ее эксплуатация не требует буферной батареи. Содержимое реманентной памяти сохраняется также и при выключении питания и при новом (теплом) пуске. Программа в загрузочной памяти всегда является сохраняемой: уже при загрузке она сохраняется на MMC, где она защищена от стирания при потере питания и сбросе памяти в процессоре.Необходимо обратить внимание, что данные на плате микропамяти SIMATIC могут быть повреждены, если она удаляется во время записи. В этом случае MMC должна быть стерта на специализированном компьютере станции или отформатирована на контроллере. Не допускается удалять MMC в режиме RUN, а только при выключенном питании или в состоянии STOP, когда отсутствует доступ на запись со стороны инженерной станции. Если в состоянии STOP пользователь не сможет гарантировать отсутствие активности записывающих функций управляющей ЭВМ (напр., загрузка или удаление блоков), то предварительно необходимо разъединить коммуникационные соединения. Срок полезного использования MMC в основном зависит от следующих факторов: количество процессов стирания и записи, внешние воздействия, например, окружающая температура. При температуре окружающей среды до 60°C на MMC можно выполнить не более 100000 операций стирания и записи.Процессорный модуль для приема сигналов состояний о состоянии процесса (нажатие кнопки аварийного останова, протечка теплообменника, величина расхода охлаждающей жидкости и т.д.), а также для выдачи управляющих воздействия на преобразователь и вспомогательное оборудование использует специализированные модули ввода/вывода. Данные модули устанавливаются на специализированную профильную шину и соединяются между специальными П-образными соединителями, образующими К-шину.Цифровой модуль ввода SM 321Цифровой модуль ввода SM 321; DI 16 x 24 VDC отличается следующими свойствами: 16 входов, потенциальная развязка группами по 16 каналов.