litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 3 4


Государственный Университет Аэрокосмического Приборостроения


Дипломный проект

КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ


Руководитель: к.т.н., начальник СКБ ГУАП Астапкович А. М.

Студент: Гончаров А..

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ…………………………………………..……...3

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………..4

1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………….6

1.1 Обзор систем мониторинга и управления распределенными объектами…..6

1.2 Обзор контроллеров и встраиваемых компьютеров………………………....9

1.3 Выводы…………………………………………………………………………14

2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ…………………………………………...…………….16

2.1 Описание современного состояния системы ПоТок-С……………………...17

2.2 Модернизация подсистемы ПТС-2…………………………………………...22

3 ОПИСАНИЕ КОНТРОЛЛЕРА ASK-LAB……………………………………..…23

3.1 Назначение и основные функции контроллера ASK-LAB…………………23

3.2 Технические характеристики контроллера…………………………………..24

3.3 Аппаратное обеспечение контроллера……………………………………….25

3.4 Программное обеспечение контроллера…………………………………….33

3.5 Описание обмена данными…………………………………………………...34

3.6 Обеспечение робастности и защиты информации………………………….38

4 МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНТРОЛЛЕРА……………………………………………..42

4.1 Постановка задачи…………………………………………………………….42

4.2 Модернизация аппаратной части контроллера…………………………...…48

4.3 Модернизация программного обеспечения контроллера…………………51

4.4 Модернизация программного обеспечения ПК…………………………..61

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…….………………………………………………………………….65

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………………67

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ


ПТК – программно-технический комплекс;


АПК – аппаратно-программный комплекс;

ИС – информационная система;

ИИС – информационно-измерительная система;

ИУС – информационно-управляющая система;

РИУС – распределенная информационно-управляющая система;

ПК – персональный компьютер;

КИП – контрольно-измерительный прибор;

УСО – устройствами свя­зи с объектом;

АСУТП – автоматическая система управления технологическим процессом;

ЭЦРТ – элек­тронный цифровой регулятор температуры;

ТК – технологический контроллер;

СДМУ – система дистанционного мониторинга и управления;

ББП – блок бесперебойного пита­ния;

«ГТС» – «Городские Тепловые Сети»;

ПД – пульт диспетчера;

АРМ
– автоматизированные рабочие места;

АТС – автоматическая телефонная станция;

ДПС – диспетчерский пункт системы;

АУЭ – автоматизированный учет энергии;

ЖК – жидкокристаллический;

ПО – программное обеспечение;

СУБД – система управления базой данных;

ОСРВ – операционная система реального времени;

мОСРВ ­– микрооперационная система реального времени;

ВВЕДЕНИЕ


Реформа ЖКХ, проводимая в России, делает чрезвычайно актуальной проблематику, связанную с распределенными информационно-управляющими системами, предназначенными для управления системами жизнеобеспечения объектов городского хозяйства. В России работы по созданию экспериментальных систем такого рода ведутся на протяжении последних десяти лет. Толчком к их развитию послужило принятие в 1996 году закона РФ “Об энергосбережении”.

Анализ сложившейся ситуации к началу работ по созданию коммерческих систем учета был выполнен в работах [1], [2]. В этих работах рассмотрена специфика и системные аспекты создания чисто информационных систем.


В промышленности и жилищно-ком­мунальном хозяйстве страны имеется огромное количество таких объектов, как котельные, теплопункты, канализационные насосные станции, водоподкачивающие станции и т.п. Функциональные обязанности персонала подобных объектов (часто малоквали­фицированного) сводятся, как прави­ло, к наблюдению за работой агрегатов и механизмов и простейшим функциям управления (включение/выключение оборудования в заданные моменты вре­мени и т. п.). Для устранения возник­ших нештатных ситуаций или аварий обслуживающий персонал вынужден вызывать квалифицированных специа­листов. Для обеспечения работы таких объектов требуется большая численность персонала, и в целом, весь комплекс эксплуатационных и противоаварийных мероприятий является дорогостоящим.

Современный уровень развития вычислительной техники и средств связи позволяет перевести большинст­во подобных объектов на автоматичес­кий режим работы с предоставлением возможности дистанционного мониторинга и управления сетью объектов с единых диспетчерских пунктов. Та­кой подход приводит к снижению за­трат на эксплуатацию объектов, позво­ляет сократить численность их персо­нала при одновременном существен­ном улучшении качества обслужива­ния, решении задачи автоматизирован­ного учета и оптимизации управления технологическими процессами. Полу­чение объективной информации поз­воляет реально оценивать истинное со­стояние объектов и их оборудования, что обеспечивает принятие обоснован­ных решений для планирования opганизационно-технических мероприятий.

Дипломная работа посвящена модернизации распределенной информационно-управляющей системы ПоТок-С для филиала ПТС ОАО “Северо-Западный Телеком”, которая была сдана в опытную эксплуатацию в 2005 году [3],[4]. Следует сказать, что ОАО “Северо-Западный Телеком” была одной из первых организаций в России, в которой в 1996 году начались работы по использованию систем для мониторинга режимов теплоснабжения и коммерческого учета потребления тепла сооружениями этой организации. Сложившаяся инфраструктура позволила в рамках выполнения этого проекта провести ряд исследований и демонстрационных экспериментов, результаты которых представляют интерес для системных интеграторов подобного рода проектов, а также для целого ряда смежных областей.


В рамках дипломного проекта был решен целый комплекс задач, связанных с необходимостью проведения модернизации как аппаратных, так и программных компонент системы , а также участия непосредственного участия в пуско-наладочных работах при передаче системы Заказчику в лице ОАО “Северо-Западный ТЕЛЕКОМ”.

В настоящее время система эксплуатируется в штатном режиме.

1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Обзор систем мониторинга и управления распределенными объектами

Научно-библиографический поиск проводился для обзора современных идей, методов и примеров практического построения информационных и информационно-управляющих систем для диспетчерского контроля и управления распределенными объектами. Поиск вёлся по следующим источникам: журнал «Датчики и системы», журнал «Энергосбережение», журнал «Системная интеграция», труды конференции «Коммерческий учет энергоносителей», журнал «Системы Технологической автоматизации», материалы сайтов www.rtservice.ru, www.logika.spb.ru.

Результаты обзора распределенных информационно-управляющих систем сведены в таблицу 1.1.

Следует отметить одну важную особенность систем подобного рода. В силу значительного масштаба и достаточно большой стоимости эти системы обладают значительной инерцией в смысле возможности изменения в однажды принятых концептуальных решениях. Как правило, модернизация такого рода систем осуществляется в условиях действующего производства, что существенно усложняет требования к качеству реализации. В полной степени с этим пришлось столкнуться при выполнении дипломной работы.

Как показал анализ литературных источников наиболее близкой по функциональным возможностям к системе ПоТок-С является система ИНТЕК» [9] описывается новая измерительная система коммерческого учета « (Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.32.004.A № 14858). Эта система была разработана при участии ведущих специалистов в области теплотехники, систем водоучета и гидродинамики. Система представляет собой программно-аппаратный информационно-вычислительный комплекс, способный решать широкий круг прикладных задач.


Таблица 1.1

Обзор систем используемых в ЖКХ

Название

Назначение

Верхний уровень системы

Нижний уровень системы

Коммуникация

Количество узлов

КРУГ 2000

[5]

ИУС для коммерческого учета тепловой энергии и газопотребления

для крупных промышленных предприятий

ЛВС (сеть предприятия) с возможностью входа сторонних пользователей посредством браузера Internet

Цифровые интеллект.

датчики и контроллеры с интерфейсами

RS-232,RS-485,Ethernet

Витая пара и

локальные проводные

соединения

Проектная спецификация - до 30 000.

Синтал Телетерм

[6]

ИУС для автоматического регулирования тепловых режимов крупного сооружения

(Дворец спорта в г. Волгограде),

отапливаемого

электрокотлами

ПК c ПО, обеспечивающем

мониторинг состояния объектов,

задание режимов регулирования,

дистантное управление,

обработку учетной информации

Цифровые регуляторы

ЭЦР-ХРОНО подкл. к контролл.

ЭЦРТ-ТЕЛЕТЕРМ

Радиоканал на GSM модемах

В системе

используется


96 датчиков

DS18S20 и

17 силовых шкафов управления электро-котлами.


КАРАТ

[7]

Автоматизированная

система контроля и коммерческого учета режимов теплоснабжения городских объектов городской инфраструктуры

(г.Калининград).

Ведущий и резервный диспетчерский пульты, реализованные на ПК, об. по ЛВС

Шкаф управления

На базе

ADAM –5510

ADAM-501H

ADAM-5050

ADAM3854


сети сотовой связи GSM на

модемах Siemens TC35 Terminal

Проектная спецификация до 50 теплопунктов


Телескоп+

[8]

Автоматизированная ИУС для коммерческого учета потребляемых энергоресурсов и воды и регулирования тепловых режимов объектов ЖКХ (г.Сургут)

АРМ ы диспетчеров, операторов и пользователей системы

Контроллеры

ПИК-УВП,

ПИК2

Сбор информации осуществляется по радиоканалу (УКВ), комм. тел. линия.


100 узлов

«Интек»

[9]

ИУС тепло- и водоучета, диспетчеризация различных промышленных объектов.


центральный компьютер с ПО обеспечивающим мониторинг. Возможно управление процессами


контроллеры SCADAPack или DirectLOGIC, приборы учета воды и тепла, оборудование SonyEriccson, Wavecom для передачи по GSM каналу

каналы проводной связи, ADSL, GSM, GPRS


До 500 (по GSM каналу)

Логика

[10]

Информационно-измерительная система коммерческого и технического учета энергоресурсов

сбор и соответствующее предста­вление информации обеспечивае­тся единым программным комп­лексом СПСеть

серийно-выпускаемые спец. вычислители, преобразователи, счетчики ЗАО НПФ ЛОГИКА

Коммутируемые и некоммутируе­мые линии связи, радиоканал.

неизвестно

Система обладает рядом отличительных особенностей :


  • область применения системы не ограничивается только тепло- и водоучетом. Вторая часть системы «ИНТЕК» — диспетчеризация различных промышленных объектов;

  • передача данных по каналам проводной связи, ADSL, GSM, GPRS;

  • все протоколы передачи данных являются открытыми. Кроме того, применяются протоколы, только хорошо зарекомендовавшие себя с точки зрения помехозащищенности и устойчивости к сбоям (MODBUS, ProfiBUS);

  • все ПО специально разработано для создания подобных приложений. На базе программного продукта FactorySuite InTouch.


С точки зрения архитектурных особенностей систему можно разделить на две части. Первая отвечает за сбор данных с приборов учета. Система функционирует в автономном режиме, и при отключении ПК информация с приборов учета не теряется. Система «ИНТЕК» формирует отчеты о потреблении энергоносителей за любой промежуток времени и производит самодиагностику аппаратуры.

Кроме этого система может быть настроена для решения любых задач АСУ ТП, обеспечивая полный контроль над технологическими процессами производств. Более того, программное обеспечение настраивается так, что кроме контроля технологических параметров контролируется также и работа обслуживающего персонала. Наличие кнопок дисциплинирующего контроля, определение присутствия оператора на рабочем месте снижает вероятность ошибки персонала.


В качестве базовых аппаратных средств среднего уровня автоматизации в системе «ИНТЕК» использованы высоконадежные контроллеры SCADAPack или DirectLOGIC, выбор которых осуществляется исходя из условий эксплуатации.

При организации передачи данных в системе «ИНТЕК» предусмотрено несколько вариантов. Так, например, возможно использование обычных каналов передачи данных (по проводным линиям связи). Однако в этом случае на реализацию системы накладываются некоторые ограничения, такие как длина линии (до 1200 метров без повторителей) и сложности по прокладке кабеля. Поэтому система «ИНТЕК» предусматривает использование альтернативных каналов передачи данных, таких как ADSL, GSM, GPRS.

Примеры систем, представленные в таблице 1.1., отражают ряд характерных тенденций в развитии систем коммерческого учета. Отобранные примеры отражают отчетливую тенденцию перехода от чисто информационных систем (ИС) к информационно-управляющим системам (ИУС), так как только последние обеспечивают возможность реальной экономии средств.

Второй вывод, который следует из обзора, заключается в том, что до настоящего времени ведется как выбор каналов связи для сбора информации с объектов и передачи команд управления, так и аппаратного обеспечения нижнего уровня.


1.2 Обзор контроллеров и встраиваемых компьютеров

Научно-библиографический поиск проводился для обзора современных контроллеров и встраиваемых компьютеров, используемых для работы в составе информационно-управляющих системах. Поиск вёлся по следующим источникам: каталог «RTSoft Средства и системы автоматизации. Каталог продукции», журнал «Системная интеграция», труды конференции «Коммерческий учет энергоносителей», материалы сайтов www.English.Eastday.com, www.Tral.ru, www.mzta.ru, www.Prosoft.ru, www.nevabls.ru.

Результаты обзора используемых аппаратных средств сведены в таблицу 1.2.

Сравнение характеристик различных контроллеров и встраиваемых компьютеров Таблица 1.2


Название

Тип

Процессор

Память

Коммуникация

Вводы/ выводы

ОС/мОСРВ

Средства разработки ПО

Цена, $

ThinkIO

К

Geode 5C1200,

266 МГц

  • SDRAM: 128 Мб

  • RAM: 128 Кб

2xUSB1.1, RS232,

2xEthernet 10/100, PROFIBUS-DP, CANopen,

2xDI, 2xDO

Windows CE, Linux

CoDeSys, lSaGraf, ОРС Driver, SOPH.I.A., CFC 6

~1000

SCADAPack

К

32-разрядный,

120 МГц

RAM: 8 Мб,

Flash: 4 Мб

Ethernet, модули для работы с радиомодемами, спутниковой и сотовой связью

до 40 модулей

нет

язык релейной логики, C/C++, lSaGraf

~300

NetCore

ВК

300/500 МГц, MIPS32

RAM: до 64 Мб,

Flash: до 16 Мб

Ethernet 10/100, RS232, RS485,

USB 1.1, IDE


нет

Linux 2.4

C/C++, ПО совместимое с Linux

250 - 300

InorTek

К

Микро-контроллер i80C188

RAM: до 512 Кб,

EEPROM: до 64 Кб

MODBUS/RS, Ethernet 10/100

8xAI, 4xAO, 10xDI, 10xDO

нет

C/C++, встроенные библиотеки ПИ/ПИД-регулирования, ШИМ-управления

215 - 359

"Контар" МС8

К

неизвестно

Flash: 60 Кб,

RAM: 30Кб

RS232, RS485

Ethernet 10/100,

8xAI, 8xAO, 4xDI, 8xDO

Уникальная, записана производи-телем

КОНГРАФ, Алгоритмы для управления конкретными технологическими процессами

400 - 550

UN0-2052

ВК

GX1 300 МГц

RAM: 64/128 Мб

ModBus/ RTU, 2x CAN, Ethernet 10/100, RS232

2xAI,4xDI

4xDO

Windows CE .NET

ПО совместимое с Windows CE .NET

неизвестно

Siemens Simatic S7-200

К

20 МГц

EEPROM: 24 Кб,

SRAM: 10 Кб


2x RS485

24xDI,

16xDO

неизвестно

STEP 7 Micro/Win, LAD, STL (список инструкций), FBD

неизвестно


К – контроллер; ВК – встраиваемый компьютер.

Можно утверждать, что к настоящему времени на практике используется широкий спектр разнообразных решений.

В качестве наиболее близкого к контроллеру ASK Lab, можно указать контроллер "КОНТАР" МС8. [11]

Комплекс модулей "КОНТАР" — совместная российско-американская разработка (МЗТА – Arecont Systems, Inc) — основан на новейших информационных технологиях и уже проверен во многих проектах различной сложности (системы жизнеобеспечения зданий, объекты ЖКХ, автоматизация цехов и т.п. в России и США).

Контроллеры измерительные МС8 (далее МС8) предназначены для сбора информации и реализации разнообразных алгоритмов автоматизированного управления технологическими процессами. Контроллеры МС8 являются основным (базовым) элементом комплекса КОНТАР.

Контроллеры комплекса "КОНТАР" прошли сертификационные испытания как средство измерения и на электромагнитную совместимость в России и США. Имеется разрешение на их использование на объектах, подведомственных ГОСГОРТЕХНАДЗОРу.

Внешний вид контроллера "КОНТАР" МС8 представлен на рисунке 1.1.





Идеология построения MC8 позволяет использовать его как в качестве автономного контроллера, так и объединять нужное количество контроллеров в локальные сети и сложные иерархические системы, осуществлять управление и сбор информации от разнообразных источников, передачу ее по единому каналу связи, в том числе с использованием сети Интернет.

Система модулей обеспечивает возможность реализации следующих функций :


  • измерение и преобразование в цифровую форму сигналов, поступающих от аналоговых и дискретных датчиков технологических параметров;

  • формирование дискретных и аналоговых выходных сигналов для воздействия на технологический процесс;

  • реализация алгоритмов функционирования, необходимых для управления конкретными технологическими процессами (например, аналоговое или импульсное ПИД-регулирование, различные виды формирования задания, в том числе с возможностью изменения в реальном времени, программно-логическое управление, автоматическое включение резервного оборудования и т.д.);

  • архивирование событий во внутренней памяти контроллера;

  • вывод информации на дисплей встроенного пульта оператора, карманного компьютера (PDA) или на экран монитора персонального компьютера через интерфейс RS232C, Ethernet;

  • обеспечение связи через различные интерфейсы (RS485 между контроллерами и другими модулями, RS232С с периферийными устройствами, Ethernet при работе в локальной сети и сети Интернет).

Для реализации управляющих функций имеется возможность использования :

- 4 дискретных входов;

- 8 аналоговых входов;

- 8 дискретных выходов;

- 8 аналоговых выходов,

и наиболее распространенных коммутационных интерфейсов, обеспечиваемых отдельными модулями:

- RS232С;

- RS485, с гальванической изоляцией;

- Ethernet.

Кроме этого имеются специализированные модули расширения:

- интерфейсный субмодуль WebLinker (Ethernet и RS232C);

- коммуникационный модуль (GPRS/CDMA);

- пульт MD8.2 (внешний) Применяется для щитового утопленного монтажа. Соединение пульта с контроллером осуществляется через интерфейсный субмодуль SPI.

Модули обладают часами реального времени и календарем. Пользовательский интерфейс обеспечивается с помощью ;


- 2-х строчный дисплея;

- 4-х кнопочной клавиатуры

- индикация – 8 светодиодов состояния дискретных выходов.


Низкоуровневое программное обеспечение реализуется на базе собственной микрооперационной системы Программное обеспечение верхнего уровня разрабатывается при помощи графической инструментальной системы КОНГРАФ.


1.3 Выводы

Как показал выполненный обзор в настоящее время в исследуемой предметной области ведется интенсивный поиск инженерных решений, что не позволяет рекомендовать какую-либо аппаратно-программную платформу в качестве безусловного лидера. Продукция различных производителей обладает схожими функциональными возможностями, однако отличается в аппаратной реализации и стоимости. Видно также, что до настоящего времени проводится экспериментальное изучение концептуально-новых решений.

В качестве примера следует указать на систему нового поколения, в состав который включен мобильный робот [12], используемый для слежения за ситуацией на электрической подстанции напряжения 500000 Вольт.

В Китае до сих пор трансформаторные подстанции обслуживались только людьми, безопасность которых не была гарантирована из-за сетей, постоянно находящихся под высоким напряжением, и часто тяжелых погодных условий.

Четырехколесный робот, разработанный Шандонгским научно-исследовательским центром электрической энергии, - первый робот в стране, который был использован для ведения наблюдения поблизости от сильных магнитных полей трансформаторной подстанции, работающей под высоким напряжением.

Ученые из Шандонгского центра заявили, что во время проведения эксперимента робот мог как выполнять функции рабочих самостоятельно, так и подчиняться командам рабочих. Он сразу же реагировал на перегревы, любое постороннее тело, попадавшее на провода и т.д.

Можно констатировать, что в современных системах коммерческого учета контроллеры становятся одним из наиболее важных компонентов, промежуточным звеном в цепи обмена данными между полевым оборудованием (теплосчетчиками, электросчетчиками, датчиками и исполнительными механизмами) и средствами АСУ ТП верхнего уровня (рабочими станциями технологов, серверами, офисными компьютерами управленческих, коммерческих и технических отделов).


Ключевым звеном подобных устройств является микропроцессорная платформа (совокупность аппаратно-программных возможностей устройства, используемой операционной системы и средств разработки программного обеспечения), от которой часто зависит возможность применения устройства в конкретной системе. Одним из основных факторов выбора контроллера или встраиваемого компьютера является возможность простой, быстрой и качественной разработки программного обеспечения (ПО). Производители предлагают широкий ассортимент программно-инструментальных средств разработки ПО для их продукции. Однако, эти средства, как правило, для устройств конкретного производителя уникальные, и стоимость их может быть на порядок дороже самих устройств.



следующая страница >>