Разработка архитектуры системы управления 3 страница

PROFIBUS-DP:

Протокол PROFIBUS-DP отвечает требованиям стандартов IEC 61158 и EN 50170 и ориентирован на организацию скоростного циклического обмена небольшими объемами данных между активными (Master) и пассивными (Slave) сетевыми устройствами. Функции активных устройств выполняют системы автоматизации, устройства и системы человеко-машинного интерфейса, обслуживающие системы. В качестве пассивных устройств используются станции распределенного ввода-вывода SIMATIC ET 200, а также аппаратура полевого уровня с встроенными интерфейсами PROFIBUS-DP (датчики, регуляторы, преобразователи частоты, устройства плавного пуска, коммутационная аппаратура и т.д.). Помимо циклического (синхронного) обмена между активными и интеллектуальными пассивными устройствами поддерживается асинхронный обмен данными, используемый для передачи параметров настройки, диагностической информации и т.д.

Сеть PROFIBUS может быть использована для организации обмена данными между интеллектуальными сетевыми устройствами. Сеансы связи могут устанавливаться между двумя системами автоматизации, системой автоматизации и компьютером и т.д.

Выбранный центральный процессор CPU 315-2 имеет встроенный интерфейс PROFIBUS-DP, однако для разгрузки ЦП от выполнения коммуникационных функций используется коммуникационный процессор CP 342-5.

· Промышленная сеть Industrial Ethernet

Промышленная сеть верхних уровней управления, отвечающая требованиям международного стандарта IEEE 802.3 (Ethernet).

Особенности сети:

o Простое и быстрое подключение сетевых компонентов.

o Высокая гибкость: существующие сети могут расширяться без их остановки.

o Высокая надежность, достигаемая использованием резервированных топологий.

o Неограниченная производительность, поддерживаемая использованием коммутируемых сетей.

o Возможность применения в офисных и промышленных условиях.

o Использование оборудования множества производителей за счет подключения к WAN (wide area network), например, ISDN или Internet.

Рис. 9 Industrial Ethernet в иерархии сетей

Использование технологии коммутируемых сетей практически снимает ограничения на возможные сферы применения этой сети. Дополнительно Industrial Ethernet позволяет использовать беспроводный обмен данными, что существенно упрощает интеграцию подобных решений в существующие сети. Через беспроводные сети можно получать доступ к информации в Internet/Intranet в любое время и из любого места.

Industrial Ethernet позволяет производить обмен данными между программируемыми контроллерами, а также между программируемыми контроллерами и интеллектуальными партнерами по связи (например, компьютерами).

Industrial Ethernet позволяет создавать высокопроизводительные системы промышленной связи с линейной, кольцевой или звездообразной топологией.

Технические характеристики сети Industrial Ethernet представлены в таблице 18.

Таблица 18

Технические характеристики сети Industrial Ethernet

Характеристика	Значение
Стандарт	Ethernet по (IEEE 802.3 и IEEE 802.3u)
Процедура доступа	CSMA/CD
Скорость передачи	10 Мбит/с 100 Мбит/с
Количество участников	неограничено, по 1024 на сегмент
Длина сети: · электрические сети · оптические сети 10 Мбит/с · комутируемые оптические сети 100Мбит/с	1.5 км 4.3 км неограничено
Среда передачи: · электрические сети   · оптические сети	триаксиальный кабель, индустриальная и оффисная витые пары; оптоволоконные кабели (стекло).
Топология	Шина, дерево, кольцо, звезда
Протоколы	Протоколонезависимая сеть

Данная сеть может быть использована в проектируемой системе управления для решения задач загрузки управляющих программ и организации обмена информацией с цеховым уровнем.

3.5 Выбор сетевых компонентов

· Триаксиальные сети

Электрические сети 10 Мбит /с

В электрических сетях с классической магистральной структурой в качестве каналов связи используются триаксиальные кабели. Сеть включает в свой состав несколько сегментов. Протяженность каждого сегмента может достигать 500 м.

К одному сегменту можно подключать до 100 трансиверов. Если длины одного сегмента не хватает, то через повторители можно подключать дополнительные сегменты.

Сети на основе промышленных витых пар

Для подключения терминалов к электрическим сетям можно применять электрические модули связи ELM и промышленные витые пары (ITP). Кроме того, с помощью этих компонентов могут конфигурироваться недорогие звездообразные топологии, соответствующие требованиям стандарта IEEE 802.3.

· Оптические сети 10 Мбит /с

Оптические сети Industrial Ethernet могут иметь магистральную, кольцевую или звездообразную топологию. Конфигурирование оптических сетей выполняется с помощью оптических модулей связи OLM или разветвителей ASGE. Каналы связи выполняются оптоволоконным кабелем. Протяженность оптоволоконной линии может достигать 4.5 км.

Терминальные устройства (DTE) могут подключаться:

• к разветвителям ASGE с помощью соединительных кабелей 727-1 или промышленных витых пар

• к оптическим модулям связи OLM с помощью промышленных витых пар.

Удаленные терминалы могут подключаться через мини трансиверы OTDE.

· Шинный терминал

Терминалы предназначены для подключения сетевых узлов к сегменту электрической сети PROFIBUS. Подключение к узлу производится радиальным кабелем с сетевым 9-полюсным соединителем. Сетевой терминал обеспечивает поддержку MPI соединений за счет непосредственного соединения нескольких терминалов (до 32 станций на сегмент).

Функции:

o подключение сетевой станции через гибкий кабель с 9-полюсным соединителем D-типа;

o подключение сетевого кабеля через 6-полюсный терминальный блок;

o сохранение возможности передачи данных по сети при отключении сетевого узла от сетевого терминала 12M;

o подключение терминальных резисторов на концевых точках сети.

Дополнительно сетевой терминал 12M позволяет выполнять однозначную локализацию ошибок в передаче данных в пределах одного сегмента сети.

При совместном использовании сетевых терминалов 12M и RS 485 на всю сеть распространяются правила конфигурирования сети с сетевыми терминалами RS 485.

· Активный сетевой терминатор RS 485

Активное оконечное сопротивление (терминатор) RS485 служит в качестве оконечной нагрузки шинного сегмента. Электропитание осуществляется не зависимо от абонентов шины. При этом оконечное сопротивление питается отдельно от остальных периферийных компонентов постоянно или напряжением, подключаемым перед периферией. Благодаря оконечной нагрузке системы шин абоненты (например, ET 200eco) могут свободно подключаться и отключаться, что не приводит к неправильному функционированию.

Таблица 19

Основные технические характеристики активного терминального элемента

Характеристика	Значение
Напряжение питания: · номинальное значение (DC) · допустимое значение, нижний предел (DC) · допустимое значение, верхний предел (DC)	24 В 20.4 В 28.8 В
Потребляемый ток, типовое значение	30 мA
Соединительная система: · линия шины · мощность питания	винтовая форма винтовая форма
Скорость передачи данных PROFIBUS-DP, макс.	12 Mбит/с; от 9.6 kбит/с до 12 Mбит/с
Условия окружающей среды: · рабочая температура · температура хранения и транспортировки · влажность: рабочая, максимальная	0…60˚С -40…+70˚С 95% при 25˚С
Степень и класс защиты	IP 20
Габаритные размеры, Ш*В*Г	60*70*43 мм
Масса	95 г.

· Трансивер с двумя интерфейсами

Для физического подключения устройств к сети Industrial Ethernet можно использовать трансиверы.

Особенности:

• подключение двух сетевых станций к триаксиальной сети Industrial Ethernet;

• гальваническая изоляция между станциями и сетью;

• надежное винтовое подключение триаксиального кабеля;

• непосредственное подключение двух станций;

• автономная работа двух станций.

Конструкция:

•Прочный алюминиевый корпус с габаритами трансивера с одним интерфейсом.

•Два гнезда 15-полюсных соединителей D-типа для подключения сетевых станций.

•Проходной механизм с гнездами соединителей N-типа для подключения триаксиального кабеля 727-0.

•Пять светодиодов: TX1 (передача по интерфейсу 1), TX2 (передача по интерфейсу 2), RX (прием), COLL (коллизия), PWR (напряжение питания).

Таблица 20

Основные технические характеристики активного терминального элемента

Характеристика	Значение
Интерфейсы: · подключения к IE на основе триаксиального кабеля 727-0 · подключения к сетевому узлу	проходной механизм с двумя гнездами коаксиальных соединителей N-типа; два гнезда 15-полюсных соединителей D-типа.
Напряжение питания	=9.5 … 15.75 В (от сетевого узла)
Потребляемый ток	не более 500 мА
Сопротивление изоляции	10 МОм
Испытательное напряжение изоляции	~1.5 кВ (между триаксиальным кабелем и корпусом трансивера)
Допустимый диапазон температур: · для монтажа и прокладки · рабочий	0 … +55°C -40 … +70°C
Относительная влажность	не более 95% при +25°C
Габариты	180 х 85 х 45 мм
Масса	640 г
Степень защиты	IP 40 (в собранном состоянии)

· Неуправляемые коммутаторы SCALANCE X-100

Для подключения устройств полевого уровня к промышленной сети Industrial Ethernet, используем коммутаторы SCALANCE X-105. Они предназначены для построения линейных и звездообразных структур сети Industrial Ethernet с электрическими и оптическими каналами связи. Данные коммутаторы поддерживают технологии коммутируемых сетей. Возможно неограниченное расширение сети за счет каскадного включения коммутаторов SCALANCE.

В типовом варианте модуль SCALANCE X 100 устанавливается в один шкаф управления со всеми подключаемыми узлами сети. Все коммутаторы серии позволяют создавать линейные и звездообразные топологии сети Industrial Ethernet с электрическими и оптическими каналами связи.

При конфигурировании сети необходимо соблюдать следующие граничные условия:

o длина TP кабеля между двумя коммутаторами SCALANCE X 100 не должна превышать 100 м с использованием Industrial Ethernet FC кабеля и штекера Industrial Ethernet FC RJ45;

o длина оптического кабеля не должна превышать 3000 м при использовании стеклянного оптоволоконного кабеля Industrial Ethernet.

· Коммутатор ESM

Для соединения всех компонентов в сеть Industrial Ethernet используем коммутатор ESM ITP80.

Особенности коммутатора:

o надежная промышленная связь благодаря малому времени реконфигурирования сети (не более 0.3с);

o снижение инвестиционных затрат для существующих сетей за счет простоты подключения терминалов и подсетей со скоростью передачи 10Мбит/с к сети Fast Ethernet со скоростью передачи 100Мбит/с. Увеличение производительности сети;

o простое конфигурирование сети без необходимости расчета времени задержки распространения сигнала;

o поддержка резервированных конфигураций за счет использования резервированного питания, резервированных каналов связи на основе витых пар, системы управления резервированием и встроенных функций автоматического включения резерва;

o поддержка широкой гаммы сетевых топологий на базе ESM;

o простой мониторинг и диагностирование с использованием сигнального контакта модуля, SNMP или электронной почты;

o низкие эксплуатационные затраты, работа с естественным охлаждением.

Технические характеристики коммутатора приведены в таблице 20

Таблица 21

Технические характеристики коммутатора ESM

Характеристика	Значение
Скорость передачи данных	10/100Мбит/с
Интерфейсы: · подключения терминалов или сетевых сегментов · подключения питания и цепей сигнального контакта	9-полюсные гнезда соединителей D-типа (ESM ITP80) или гнезда RJ45 (ESM TP80); 6-полюсный съемный терминальный блок.
Напряжение питания	2x=24В (18 … 32В)
Потребляемый ток при =24В	1000мА
Потребляемая мощность при =24В	20Вт
Параметры расширения сети: · длина линии с соединителями D-типа · длина линии с соединителями RJ45	0…100 м;   0…10м (0…100м: TP корд + витая пара).
Каскадное включение модулей: · магистральная/звездообразная структура · кольцевая структура	ограничивается только временем распространения сигнала; до 50 (время реконфигурирования сети не превышает 0.3с).
Допустимый диапазон температур: · рабочий · хранения и транспортировки	0 … +60°C -20 … +80°C
Относительная влажность	до 95% при +25°C
Габариты	217х136.5х69мм
Масса	1400г
Монтаж	на стандартную 35мм профильную шину DIN, на плоскую поверхность, в 19” стойки управления (попарно).
Степень защиты	IP 20

3.6 Организация сетевых переходов

Для организации обмена данными между различными сетями, например PROFIBUS/AS, используются специальные модули, позволяющие осуществлять сетевые переходы. Это решение позволяет подключить каждое устройство полевого уровня только к одной из сетей, используемой в СУ.

· Соединитель IE/PB

Модуль IE/PB Link обеспечивает обмен данными между сетями Industrial Ethernet и PROFIBUS. Модуль поддерживает стандарт PROFInet, определяющий модель построения систем автоматизации с распределенным интеллектом и сквозного обмена данными между PROFIBUS и Industrial Ethernet с поддержкой IT-стандартов.

Рис. 10. Пример применения IE/PB Link как сетевого перехода от Industrial Ethernet к PROFIBUS для вертикальной интеграции

PROFInet позволяет поддерживать взаимный обмен данными между компонентами PROFIBUS, а также между компонентами PROFIBUS и Ethernet. К подчиненной сети PROFIBUS-DP модуля IE/PB Link могут подключаться как стандартные, так и интеллектуальные ведомые DP-устройства.

Дополнительно модуль IE/PB Link обеспечивает поддержку функций вертикальной интеграции систем автоматизации с более высокими уровнями управления предприятием.

Технические характеристики модуля приведены в таблице 22

Таблица 22

Технические характеристики модуля IE/PB

Характеристика	Значение
Скорость передачи данных: · Industrial Ethernet · PROFIBUS	10/100 Мбит/с; 9.6 Кбит/с…12 Мбит/с, включая 45.45 Кбит/с (PROFIBUS-PA).
Интерфейсы: · подключение к Industrial Ethernet § AUI/промышленная витая пара   § витая пара (10BaseT /100BaseT) · подключение к PROFIBUS · подключение питания	15-полюсное гнездо соединителя D-типа с фиксатором (автоматическое переключение между AUI и витой парой); RJ45 гнездо.   9-полюсное гнездо соединителя D –типа; 4-полюсный терминальный блок.
Напряжение питания	=24В ±5%.
Потребляемый ток при =24В	600мА.
Рассеиваемая мощность	10Вт.
Допустимый диапазон температур: · рабочий · хранения и транспортировки	0 … +60°C. -40 … +70°C.
Относительная влажность	до 95% при +25°C.
Габариты (ВхШхГ)	80х125х120 мм.
Масса	600г.
Степень защиты	IP 20

· Модуль DP/AS Link 20E

Модуль DP/AS 20 позволяет ведущему устройству PROFIBUS-DP, а именно ПЛК обслуживать до 248 дискретных элементов (до 124 входов и до 124 выходов), подключаемых к AS интерфейсу. Модуль может использоваться в стандартном рабочем режиме AS-интерфейса (М2). В этом режиме может выполняться обращение к битам данных ведомых устройств. При этом поддерживаются следующие запросы ведущего устройства: изменение адреса; запись параметров; чтение данных конфигурации; установка режимов конфигурирования; установка текущей конфигурации.

Преимуществом данного модуля является включение AS-интерфейса без связи с сетью PROFIBUS, соответственно выделенный ранее коммуникационный процессор ПЛК СР 343-2 не требуется, также как и не требуется дополнительный источник питания.

Рис. 11. Пример сетевого перехода от PROFIBUS DP на AS-интерфейс через DP/AS-Interface Link 20E

В качестве ведущих устройств PROFIBUS-DP могут использоваться:

· программируемые контроллеры SIMATIC S7-300 с коммуникационными процессорами CP 342-5;

· программируемые контроллеры SIMATIC S7-400 с коммуникационным процессором CP 443-5 Extended;

· программируемые контроллеры SIMATIC S5 с коммуникационным процессором CP 5431 FMS/DP или интерфейсным модулем IM 308С;

• промышленные компьютеры с коммуникационными процессорами CP 5613 или CP 5614, а также коммуникационными процессорами CP 5611/ CP 5511 и пакетом SOFTNET DP;

· системы автоматизации других производителей, поддерживающие функции стандартного ведущего устройства PROFIBUS-DP.

Посредством данного модуля сокращается время простоев и обслуживания при выходе из строя slave-устройства благодаря наличию световой индикации. Технические характеристики модуля приведены в таблице 23

Таблица 23

Технические характеристики модуля DP/AS Link 20E

Характеристика	Значение
Время цикла AS-интерфейса	5мс на сеть с 31 ведомым устройством, 10мс на сеть с 62 ведомыми устройствами
Скорость передачи данных по PROFIBUS-DP	До 12 Мбит/с
Поддерживаемый профиль ведущего устройства AS-интерфейса	M0e, М1e в соответствии со спецификацией AS интерфейса версии 2.1
Конфигурирование AS-интерфейса	С помощью кнопки на фронтальной панели модуля.
Интерфейсы: · подключения к AS-интерфейсу   · подключения к PROFIBUS-DP	7-полюсный терминальный блок с винтовыми зажимами 9-полюсное гнездо соединителя D-типа
Питание	От кабеля AS-интерфейса в соответствии со спецификацией сети EN 50295
Потребляемый ток: · от AS-интерфейса · от PROFIBUS-DP	до 200мА до 90мА
Потребляемая мощность	3.7 Вт
Монтаж	На профильную шину DIN или на плоскую поверхность.
Степень защиты	IP 20
Диапазон рабочих температур	0 … 60°C при горизонтальной установке, 0 … 45°C при вертикальной установке
Диапазон температур хранения и транспортировки	-40 … +70°C
Относительная влажность	95% при 25°C
Габариты	90х80х60мм
Масса	200 г

· Модуль IE/AS-i LINK PN IO

Модуль IE/AS-i LINK PN IO выполняет функции прибора ввода-вывода PROFINET IO (по IEC 61158) и ведущего устройства AS-Interface (спецификация AS-Interface V3.0 по EN 50 295). Он обеспечивает возможность получения доступа к данным AS-Interface из Industrial Ethernet.

Рис. 12. Подключение AS-Interface к PROFINET через IE/AS-i LINK PN IO с одним или двумя интерфейсами ведущего устройства AS-Interface

Контроллер ввода-вывода PROFINET IO способен выполнять циклический обмен данными ввода-вывода с AS-Interface. Контроллер ввода-вывода, поддерживающий службы асинхронного обмена данными, позволяет дополнительно использовать вызовы ведущего устройства AS-Interface. Таким образом, модуль IE/AS-i LINK PN IO является идеальным решением для построения систем распределенного ввода-вывода, в которых AS-Interface выступает в качестве подсети сети PROFINET IO.

Питание производится через кабель AS-Interface - отсутствие необходимости использования дополнительного блока питания. Встроенный мониторинг замыканий жил кабеля AS-Interface на землю.

Таблица 24

Технические характеристики модуля IE/AS-i LINK PN IO

Характеристика	Значение
Скорость обмена данными на сегмент AS-интерфейс: · время цикла AS-interface   · Industrial Ethernet	5мс на сеть с 31 ведомым устройством; 10мс на сеть с 62 ведомыми устройствами; 10/100 Мбит/с, автоматическая настройка.
Интерфейсы: · подключение к AS-interface § с одним ведущим устройством § с двумя ведущими устройствами (2 AS-i сегмента) · подключение к Ethernet · подключение питания (опционально)	1 x 4-полюсный терминальный блок (съемный); 2 x 4-полюсных терминальных блока (съемные); 2 x гнезда RJ45 (коммутируемые порты); 3-полюсный блок с контактами-защелками (съемный).
Дисплей	128 x 64 точек, с внутренней подсветкой.
Клавиатура	6 мембранных клавиш.
Напряжение питания: · через кабель AS-Interface (сегмент 1) · опциональное: =24 В	в соответствии со спецификацией AS-Interface по EN 50 295; =24 В, проводник PE.
Потребляемый ток из AS-Interface	не более 600мА.
Нагрузочная способность: · =5 В для PROFINET, не более · потери мощности	70 мА   7.5 Вт
Допустимый диапазон температур: · рабочий · хранения и транспортировки	0 … +60°C. -30 … +70°C.
Относительная влажность	до 95% при +25°C.
Габариты (ВхШхГ)	90х132х88.5 мм.
Масса	380г.
Степень защиты	IP 20
Конфигурирование AS-Interface	с помощью кнопок на фронтальной панели; из среды STEP 7 от V5.4 SP1 и выше; через Web интерфейс.

3.7 Выбор оборудования для реализации третьего уровня управления

Третий уровень управления в проектируемой СУ представлен автоматизированным рабочим местом оператора. Оператор может управлять работой всего комплекса, а также проводить мониторинг состояния оборудования.

В качестве АРМ может использоваться обычный персональный компьютер. Однако в условиях промышленного производства компьютерам предъявляются достаточно жесткие требования, такие, как: высокая производительность, круглосуточная эксплуатация в условиях высокой температуры, влажности, вибрации, загрязненности окружающей среды и т.д.

· Панельные ПК SIMATIC Panel PC 677

Панельные ПК 677/877 представляют собой полнофункциональный промышленный ПК панельного исполнения. Размеры дисплея от 10" (только PC 677) и 12" до 15" и управление посредством мембранной клавиатуры или сенсорного экрана позволяют удовлетворить широчайший спектр запросов, возникающих при организации работы пользователей.

Вариант исполнения специально разработан для максимальной надежности в условиях вибрации или ударов. К примеру, специальная вибропоглощающая подвеска жесткого диска гарантирует абсолютно надежное функционирование даже в условиях больших механических нагрузок.

В панельных ПК SIMATIC 677 и 877 имеются встроенные интерфейсы PROFIBUS DP, MPI, Industrial Ethernet, которые используются для подключения АРМ к промышленным сетям.

Панельные ПК SIMATIC 677 и 877 обладают высокой функциональностью, ориентированной на промышленные условия работы, и превосходящей возможности стандартных ПК. В так называемых распределенных конфигурациях, процессорный и операторский блоки могут функционировать на удалении друг от друга.

ПК также может использоваться в качестве программатора для написания управляющих программ для локальных систем управления и конфигурирования системы в целом.

· Панели оператора SIMATIC OP37

Панели оператора SIMATIC OP37 снабжены жидкокристаллическими дисплеями и мембранной клавиатурой. Высокая степень защиты фронтальных панелей и незначительная монтажная глубина позволяет встраивать панели оператора непосредственное управляемое оборудование.

Панели поддерживают функции работы с точечными изображениями и позволяют решать задачи визуализации, оперативного управления, выполнять диагностирование оборудования и поиск неисправностей.

Использование фоновых рисунков, мнемосхем, элементов анимации, вывод значений переменных в виде текстовых сообщений и графиков, применение графических органов управления и экранных меню, а также динамических полей ввода и вывода информации существенно расширяет возможные области применения панелей. Фоновые изображения могут готовиться в любом графическом редакторе Windows.

Основные технические характеристики панели:

· Алюминиевый корпус с пластиковой фронтальной панелью со степенью защиты IP 65.

· Минимальная монтажная глубина

· Мембранная клавиатура, устойчивая к воздействию агрессивных сред.

· Жидкокристаллический дисплей с внутренней светодиодной подсветкой (сенсорные дисплеи для серии TP).

Панель оператора SIMATIC OP37 связывается с контроллером S7-300 по интерфейсу RS 232C.

3.8 Построение архитектуры системы управления

В данном методическом пособии была построена трехуровневая система управления гибким автоматизированным комплексом на основе сетевых решений Siemens AG. СУ реализована в виде трех основных промышленных сетей: Profibus DP, Industrial Ethernet и сеть AS-интерфейса.

Нижний уровень системы управления представлен ЛСУ станков и роботов, второй – программируемым логическим контроллером, который выполняет синхронизацию работы систем управления нижнего уровня, третий – автоматизированным рабочим местом оператора, с помощью которого он может проводить диагностику состояния оборудования и управлять технологическим процессом.

Разработанная структурная схема системы управления ГАК представлена в приложении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном методическом пособии был рассмотрен процесс разработки системы управления гибким автоматизированным комплексом, подробно рассмотрены средства реализации управления. Нынешний уровень развития данного сегмента автоматизации показывает, что существует огромное количество разнообразных вариантов даже в рамках сетевых решений одной фирмы. Поэтому грамотный выбор устройств для реализации систем управления на конкретных технологических участках может обеспечить выход на новый уровень качества и эффективности производства.

Список использованной литературы:

1. Пиастро Г.П. Курс лекций по интегрированным системам проектирования и управления.

2. http://www.automation-drivers.ru – средства автоматизации фирмы Siemens

3. http://www.protgu.ru/kurs5 - материалы по проектированию промышленных сетей

ПРИЛОЖЕНИЯ

Дата добавления: 2014-12-26