2.2 Разработка электрической схемы

Разработка структурно-функциональной схемы

Для разработки электрической схемы системы автоматического управления насосной станцией необходимо определиться со структурой разрабатываемой системы и функциями входящих в нее компонентов. Для этого была разработана структурно-функциональная схема разрабатываемой системы.

На структурно-функциональной схеме (см. 220301.2012.458.00.07) показаны основные элементы (блоки), которые будут входить в разрабатываемую систему:

- датчики давления, температуры, расхода, уровня;

- промышленный контроллер;

- АРМ;

- блоки управления электродвигателями насосных агрегатов;

- электродвигатели насосных агрегатов;

- блок индикации и сигнализации.

Датчики делятся на 2 типа: с аналоговым выходным сигналом (4 .. 20 мА) и дискретным (U_вх = 24 В). Эти сигналы поступают на соответствующие входы контроллера SIEMENS SIMATIC S7-300 - блок аналоговых входных сигналов и блок дискретных входных сигналов. Эти сигналы несут информацию о величине контролируемых ими параметров.

Блок дискретных выходных сигналов (U_вых = 24 В) контроллера S7-300 соединен с блоком индикации, блоком сигнализации и блоками управления. Сигналы, поступающие в блок индикации и сигнализации предназначены для включения/отключения сигнальных ламп и сирены.

Блоки управления электродвигателями насосных агрегатов соединены с контроллером (с блоком ввода/вывода дискретных сигналов) для передачи управляющих сигналов и информации о работе двигателя и блока управления.

В состав трех блоков управления электродвигателями насосных агрегатов входят частотные приводы, которые подключаются к контроллеру через шину PROFIBUS (она будет описана далее), через которую происходит управление этими приводами.

Помимо блоков управления электродвигателями насосных агрегатов шина PROFIBUS используется для связи между контроллером и АРМ оператора в блоке водоподготовки. Через эту шину S7-300 передает на АРМ информацию о состоянии электродвигателей и информацию, полученную от датчиков. При этом контроллер в ответ на отправляемую информацию принимает управляющие сигналы от АРМ.

На структурно-функциональной схеме также показаны электродвигатели насосов, к которым подводится питание от сети трехфазного напряжения U=380 В.

Разработка электрической схемы

На основе структурно-функциональной схемы была разработана электрическая схема подключения (см. 220301.2012.458.00.03 Э5). Рассмотрим реализацию каждого из блоков структурно-функциональной схемы отдельно.

Главным компонентом всей системы является контроллер. В дипломном проекте используется промышленный программируемый контроллер Simatic S7-300 [11], разработанный компанией Siemens. Далее подробнее описан этот контроллер и его возможности.

Simatic S7-300 (см. рисунок 16) - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Рисунок 16 - Программируемый контроллер Simatic S7-300

Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

Контроллеры SIMATIC S7-300 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:

- модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т.д.

- модули блоков питания (PS), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В.

- сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами.

- коммуникационные процессоры (CP) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи по PtP (point to point) интерфейсу.

- функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора ПЛК.

- интерфейсные модули (IM), обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода. Контроллеры SIMATIC S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам. Все модули работают с естественным охлаждением.

Области применения SIMATIC S7-300 охватывают:

- автоматизацию машин специального назначения;

- автоматизацию текстильных машин;

- автоматизацию упаковочных машин;

- автоматизацию машиностроительного оборудования;

- автоматизацию оборудования для производства технических средств управления и электротехнической аппаратуры;

- построение систем автоматического регулирования и позиционирования;

- автоматизированные измерительные установки и другие.

Для разрабатываемой системе были выбраны следующие модули:

- блок центрального процессора CPU 315-2 DP 6ES7 315-2AG10-0AB0 со встроенным блоком питания с входным напряжением =24В, встроенным интерфейсом ведущего устройства PROFIBUS-DP - 1 шт.;

- модуль ввода аналоговых сигналов SM331 6ES7 331-7KF02-0AB0 - 3 шт.;

- модуль ввода дискретных сигналов SM321 6ES7 321-1BL00-0AA0 - 1 шт.;

- модуль ввода дискретных сигналов SM321 6ES7 321-1BH02-0AA0 - 1 шт.;

- модуль вывода дискретных сигналов SM322 6ES7 322-1BL00-0AA0 - 1 шт.

Ниже приведено более подробное описание этих блоков.

CPU 315-2 DP [12] оснащен встроенным интерфейсом PROFIBUS DP и способен выполнять программы среднего и большого объема. Он находит применение в системах автоматизации, оснащенных развитыми системами локального и распределенного ввода-вывода. В сети PROFIBUS DP CPU 315-2DP способен выполнять функции ведущего (DPV1) или ведомого устройства.

CPU 315-2 DP характеризуется показателями, перечисленными ниже.

- Микропроцессор: 100 нс на выполнение бинарной инструкции 3 мкс на выполнение арифметической операции с плавающей точкой

- Память: рабочая память объемом 128 Кбайт, RAM (приблизительно 43 K инструкций) для выполнения загруженной секции программы и хранения оперативных данных. Микрокарта памяти (до 8 Мбайт), используемая в качестве загружаемой памяти, а также сохранения архива проекта (с комментариями и таблицей символов), архивирования данных.

- Гибкие возможности расширения: подключение до 32 модулей S7-300 (4-рядная конфигурация).

- Интерфейс MPI: позволяет устанавливать одновременно до 16 соединений с программируемыми контроллерами S7-300/400, программаторами, компьютерами и панелями операторов. Одно из этих соединений зарезервировано для PG-, одно - для OP функций связи. MPI позволяет создавать простейшие сетевые структуры с объединением до 16 центральных процессоров и поддержкой механизма передачи глобальных данных.

- Интерфейс PROFIBUS DP: интерфейс ведущего или ведомого DP V1 устройства для работы в системах распределенного ввода-вывода. Поддержка широкого спектра диагностических функций и настройки параметров ведомых устройств DP V1. С точки зрения пользователя системы локального и распределенного ввода-вывода полностью идентичны. Для них используются одинаковые способы конфигурирования, адресации и программирования.

На рисунке 17 показано УГО центрального процессора CPU 315-2 DP. Как видно из рисунка, CPU имеет выводы для подключения питания, а также разъем для подключения шины PROFIBUS.

Максимальный ток потребления центрального процессора CPU 315-2 DP составляет 2,5 А.

Модули ввода аналоговых сигналов SM331 выполняют аналого-цифровое преобразование входных аналоговых сигналов контроллера и формируют цифровые значения мгновенных значений аналоговых величин. Эти значения используются центральным процессором в ходе выполнения программы.

Рисунок 17 - УГО CPU315-2 DP

К модулям могут подключаться датчики с унифицированными сигналами напряжения и силы тока, термопары, датчики сопротивления и термометры сопротивления.

Модули SM 331 [13] характеризуются следующими показателями:

- разрешающая способность: от 9 до 15 бит + знак (с различными временами преобразования), конфигурируется.

- возможность использования большинства модулей для измерения различных видов аналоговых сигналов на различных пределах измерения. Выбор вида аналогового сигнала производится аппаратно с помощью модулей выбора вида входного сигнала или соответствующей схемой подключения датчика. Выбор предела измерения выполняется программным путем с помощью «Hardware Configuration» STEP 7. В многоканальных модулях допускается выполнение индивидуальной настройки различных каналов на измерение заданного вида аналогового сигнала с заданным пределом измерений.

- поддержка прерываний: модули способны формировать диагностические прерывания, а также прерывания при достижении измеряемым параметром предельных значений.

- диагностика: модули способны пересылать в центральный процессор большой объем диагностической информации.

Далее приведены технические характеристики модуля ввода аналоговых сигналов SM331 6ES7 331-7KF02-0AB0 (см. таблицу 5). УГО этого модуля показано на рисунке 18. На нем показаны выводы для подключения питания и выводы для подключения датчиков.

Кроме модулей аналогового ввода в системе должны быть и модули дискретного ввода. Ниже подробно описаны модули SM321 [14].

Модули ввода дискретных сигналов SM321 предназначены для преобразования входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы.

Таблица 5 - Технические характеристики

Рисунок 18 - УГО модуля SM331

Модули могут работать с контактными датчиками, а также бесконтактными датчиками BERO, подключаемыми по 2-проводным схемам. Эти модули характеризуются следующими показателями:

- компактный пластиковый корпус:

o зеленые светодиоды индикации состояния входных цепей.

o красные светодиоды индикации отказов (только в некоторых модулях).

o штекер для установки фронтального соединителя, закрытый защитной пластиковой крышкой.

o паз для установки этикетки с маркировкой внешних цепей.

o два соединителя на тыльной части корпуса для подключения к внутренней шине S7-300/ ET 200M.

- простота установки:

o равноценность посадочных мест,

o адреса входов, определяемые номером посадочного места.

- удобство подключения внешних цепей через съемные фронтальные соединители.

На рисунке 19 показано УГО модулей SM321. Поскольку в разрабатываемой системе будут использоваться два разных модуля этого типа, то необходимо привести технические характеристики обоих модулей (см. таблицу 6).

а)

б)

Рисунок 19 - УГО SM321 (а - 6ES7 321-1BL00-0AA0; б - 6ES7 321-1BH02-0AA0)

Таблица 6 - Технические характеристики модулей SM321

Помимо модулей ввода в проектируемой системе будет использоваться модуль вывода дискретных сигналов SM322 [15] 6ES7 322-1BL00-0AA0. Эти модули выполняют преобразование внутренних логических сигналов контроллера в его выходные дискретные сигналы. Модули способны управлять задвижками, магнитными пускателями, сигнальными лампами и т.д.

Модули вывода дискретных сигналов характеризуются следующими показателями:

· компактное исполнение:

o зеленые светодиоды индикации состояний выходных цепей;

o штекер для установки фронтального соединителя, закрытый пластиковой защитной крышкой;

o паз для установки этикетки с маркировкой внешних цепей;

o два соединителя с тыльной стороны корпуса для подключения к внутренней шине S7-300/ ET 200M.

· простота установки:

o равноценность посадочных мест;

o адреса выходов определяется номером посадочного места модуля.

· удобство подключения внешних цепей через съемные фронтальные соединители.

· возможность использования большинства дискретных выходов для управления дискретными входами контроллера.

Технические характеристики модуля SM322 6ES7 322-1BL00-0AA0 приведены в таблице 7, а его УГО - на рисунке 20.

Таблица 7 - Технические характеристики SM322 6ES7 322-1BL00-0AA0

Рисунок 20 - УГО модуля вывода дискретных сигналов SM332

К модулям SM331 подключаются датчики с унифицированным аналоговым выходным сигналом (см. 220301.2012.458.00.03 Э5, лист 2). Ниже подробнее описаны эти датчики.

Датчики температуры в подшипниках подключаются к модулю по трехпроводной схеме. УГО датчика температуры и схема его подключения к SM331 показано на рисунок 21.

Три таких датчика занимают 6 входов модуля SM331. Еще один вход этого модуля используется для подключения датчика температуры воды в напорном трубопроводе насосов I группы. Схема его подключения к модулю и УГО показаны на рисунок 22.

К последнему из оставшихся входов подключается один из датчиков давления (см. рисунок 23). Датчики давления также подключаются по двухпроводной схеме.

Ко второму модулю SM331 подключаются оставшиеся 6 датчиков давления (B6 … В11 на рисунке 24), а также расходомер (В12 на рисунке 24) и один из уровнемеров (В13 на рисунке 24). При этом, схема подключения уровнемера аналогична схеме подключения датчиков давления. Расходомер же подключается к модулю иначе. У датчика имеются входы для подключения к источнику питания, а информационные выходы подключаются так, как показано на схеме (см. рисунок 24).

Рисунок 21 - Трехпроводная схема подключения датчика температуры к модулю SM331

Рисунок 22 - Схема подключения датчика температуры воды к модулю SM331

Рисунок 23 - Схема подключения датчиков давления к модулю SM331

Оставшийся датчик уровня подключается к третьему модулю SM331.

Помимо датчиков к модулям ввода аналоговых сигналов необходимо подключить источник питания. К 1 выводу модуля SM331 подключается положительное напряжение +24 В. К 10, 11, 20 выводам подключается отрицательное напряжение -24 В. Такая схема подключения к источнику питания указана в технической документации этого модуля.

При помощи модуля SM321 6ES7 321-1BL00-0AA0 контроллер должен принимать сигналы с сигнализаторов уровня (см. рисунок 25). При этом датчики не подключены напрямую к модулю. Передача сигналов идет через контакты реле, управляемые сигнализаторами. Такая развязка была сделана для того, чтобы отделить питание сигнализаторов от питания контроллера и датчиков, не имеющих активного питания.

Рис. 2.24 - Схема подключения датчиков (давления, расхода, уровня) к модулю SM331

Помимо сигналов от датчиков уровня (сигнализаторов) на модули SM321 передаются сигналы от блоков управления двигателями. От блоков управления двигателями насосов I группы на модуль поступают по 7 сигналов, а от блоков управления двигателями насосов II и III групп - по 6 сигналов (см. 220301.2012.458.00.03 Э5 лист 3, 4, 5).

Скорость вращения вала двигателя насоса I группы зависит от диаметра производимой арматуры (см. раздел 1). Поэтому в схеме управления двигателями насосов I группы предусмотрено переключение между скоростями. Первая скорость должна составлять 1410 об/мин (такая скорость соответствует производительности 590 м³/ч), а вторая - 1340 об/мин (такая скорость соответствует производительности 445 м³/ч).

Модуль вывода дискретных сигналов SM322 6ES7 322-1BL00-0AA0 используется для управления двигателями насосов II и III групп (отсылает сигнал о включении/отключении двигателя); сиреной, оповещающей об аварии; сигнальными лампами, при помощи которых контролируется работы системы.

К этому модулю подключено (см. 220301.2012.458.00.03 Э5 лист 1, 3):

- 3 реле, через которые происходит управление двигателями;

- 1 сирена;

- 27 сигнальных ламп.

Рисунок 25 - УГО сигнализаторов уровня

Помимо перечисленных элементов в разрабатываемой схеме должны присутствовать системы управления двигателями (см. 220301.2012.458.00.03 Э5 лист 4, 5), источники питания, клеммы, светильник (предназначенный для освещения пульта управления) и розетка общего пользования (например, для подключения ноутбука). Полный перечень элементов приведен в приложении Б.

Схемы управления двигателями являются типовыми и разработаны ОАО «ЧЕЛЯБГИПРОМЕЗ» электротехническим отделом №3.

Источник питания выбирается по потребляемому нагрузкой току. На модули контроллера приходится . Поэтому разумно выбрать источник питания на 5 А. В качестве источников питания выбраны QUINT-PS/1AC/24DC/5 [16], производимые фирмой Phoenix Contact (см. рисунок 26).

Показанная на рисунке 26б сигнальная лампа необходима для мониторинга работы источника питания (функционирует он или нет). Технические характеристики выбранных источников питания приведены в таблице 8.

Подключение элементов по схеме 220301.2012.458.00.03 Э5 следует осуществлять при помощи экранированных малоомных проводов. Система также должна быть оборудована автоматическими выключателями, обеспечивающими безопасность работы системы.

Помимо вышеописанных элементов, на схеме 220301.2012.458.00.03 Э5 показано подключения центрального процессора и частотных приводов к шине PROFIBUS, которая подробно описана ниже.

а) б)

Рисунок 26 - Источник питания QUINT-PS/1AC/24DC/5 (а - изображение; б - УГО)

Таблица 8 - Технические характеристики источника питания QUINT-PS/ 1AC/24DC/5

PROFIBUS

PROFIBUS (PROcess Field BUS) [17] - открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров Simatic. На основе этого прототипа организация пользователей PROFIBUS разработала международные стандарты, принятые затем некоторыми национальными комитетами по стандартизации. PROFIBUS очень широко распространена в Европе, особенно в машиностроении и управлении промышленным оборудованием.

Сеть PROFIBUS -- это комплексное понятие, она основывается на нескольких стандартах и протоколах. Сеть отвечает требованиям международных стандартов IEC 61158 и EN 50170. Поддержкой, стандартизацией и развитием сетей стандарта PROFIBUS занимается PROFIBUS Network Organization (PNO).

PROFIBUS объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов.

PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS). Требования пользователей к получению открытой, независимой от производителя системе связи, базируется на использовании стандартных протоколов PROFIBUS.

Сеть PROFIBUS построена в соответствии с многоуровневой сетевой моделью ISO 7498 Сетевая модель OSI (open systems interconnection basic reference model - базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем) - абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. PROFIBUS определяет следующие уровни:

1 - физический уровень - отвечает за характеристики физической передачи;

2 - канальный уровень - определяет протокол доступа к шине;

3 - уровень приложений - отвечает за прикладные функции.

Физически PROFIBUS может представлять собой:

- электрическую сеть с шинной топологией, использующую экранированную витую пару, соответствующую стандарту RS-485;

- оптическую сеть на основе волоконно-оптического кабеля;

- инфракрасную сеть.

Скорость передачи по ней может варьироваться от 9,6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек.

Для всех версий PROFIBUS существует единый протокол доступа к шине. Этот протокол реализуется на 2 уровне модели OSI (который называется в PROFIBUS - FDL). Данный протокол реализует процедуру доступа с помощью маркера. Сеть PROFIBUS состоит из ведущих (master) и ведомых (slave) станций. Ведущая станция может контролировать шину, то есть может передавать сообщения (без удалённых запросов), когда она имеет право на это (то есть когда у неё есть маркер). Ведомая станция может лишь распознавать полученные сообщения или передавать данные после соответствующего запроса. Маркер циркулирует в логическом кольце, состоящем из ведущих устройств. Если сеть состоит только из одного ведущего, то маркер не передаётся (в таком случае в чистом виде реализуется система master-slave). Сеть в минимальной конфигурации может состоять либо из двух ведущих, либо из одного ведущего и одного ведомого устройства.

Многие из программных средств конфигурирования сети PROFIBUS ориентированы непосредственно на того или иного производителя и часто содержат помимо средств конфигурирования сети дополнительные средства, например, средства для программирования контроллеров. Среди таких программ это Step 7 (пакет программирования контроллеров Simatic S7-300 и Simatic S7-400 фирмы Siemens AG). Но есть много программ, работающих с оборудованием разных фирм, в частности, таких как COM PROFIBUS - для конфигурирования сети PROFIBUS, или SINEC SCOPE L2 - средство для пассивного (то есть без какого-либо влияния на сеть) наблюдения за обменом данными в сети PROFIBUS.

Одни и те же каналы связи сети PROFIBUS допускают одновременное использование нескольких протоколов передачи данных:

- PROFIBUS DP (Decentralized Peripheral - распределенная периферия) - протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена данными между:

· системами автоматизации (ведущими DP-устройствами)

· устройствами распределённого ввода-вывода (ведомыми DP-устройст-вами).

Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей. Оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем. Эта версия сети была спроектирована специально для связи между автоматизированными системами управления и распределенной периферией. Электрически близка к RS-485, но сетевые карты используют 2-х портовую рефлективную память, что позволяет устройствам обмениваться данными без загрузки процессора контроллера.

- PROFIBUS PA (Process Automation - автоматизация процесса) - протокол обмена данными с оборудованием полевого уровня, расположенным в обычных или Ex-зонах(взрывоопасных зонах). Протокол отвечает требованиям международного стандарта IEC 61158-2. Позволяет подключать датчики и приводы на одну линейную шину или кольцевую шину.

- PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification - спецификация сообщений полевого уровня) - универсальный протокол для решения задач по обмену данными между интеллектуальными сетевыми устройствами (контроллерами, компьютерами/программаторами, системами человеко-машинного интерфейса) на полевом уровне. Некоторый аналог промышленного Ethernet, обычно используется для высокоскоростной связи между контроллерами и компьютерами верхнего уровня и используемыми диспетчерами. Скорость до 12 Мбит/с.

Все протоколы используют одинаковые технологии передачи данных и общий метод доступа к шине, поэтому они могут функционировать на одной шине. Дополнительно к перечисленным протоколам, поддерживаются следующие возможности обмена данными:

· службы FDL (Field Data Link - канал полевых данных), SEND/RECEIVE - отправить/получить, позволяют легко и быстро установить соединение с любым устройством, поддерживающим FDL.

· функции S7 позволяют оптимизировать соединение с устройствами семейства Simatic S7.