Расчетно-пояснительная записка

Разработал студент                                                                          Свергун А. А.

                                                      Подпись, дата         Инициалы, фамилия

Руководитель                                                                                    С. А. Ткалич

                                                       Подпись, дата        Инициалы, фамилия

Члены комиссии                         _________________________________________

                                                      Подпись, дата         Инициалы, фамилия

                                                     _____________________________________

                                                      Подпись, дата         Инициалы, фамилия

Нормоконтролер                         _________________________________________

                                                       Подпись, дата        Инициалы, фамилия

Защищена ____________________ Оценка __________________________________

                            Дата

2017

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВО «ВГТУ», ВГТУ)

Кафедра электропривода, автоматики и управления в технических системах

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Технические средства автоматизации и управления»

Тема работы «Составление конфигурации и спецификации системы управления технологическим процессом»

Студент группы АТ-141 Свергун Артем Андреевич

Технические условия ___________________________________________________

__________________________________________________________________

Содержание и объем работы (графические работы, расчеты и прочее)

____________________________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________

Сроки выполнения этапов ________________________________________________

Срок защиты курсовой работы ____________________________________________

Руководитель                                                                                    С. А. Ткалич

                                                               Подпись, дата             Инициалы, фамилия

Задание принял студент                                                                      Свергун А. А.

                                                       Подпись, дата         Инициалы, фамилия

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

В данном курсовой работе, согласно индивидуальному варианту, будет составлена конфигурация системы автоматизации и спецификация оборудования.

Для системы управления технологическим процессом используется программное средство Step 7, в ходе использования которой будет разработана конфигурация системы автоматизации и спецификация оборудования на уровне микропроцессорного устройства (основой для выбора является объем рабочей программы), сигнальных модулей, средств связи.

Так же некоторое число аналоговых входов/выходов или дискретных входов/выходов будет реализовано с помощью взрывобезопасных модулей (Ех-модулей) для использования, например, в помещениях с опасной работой.

1 Общие сведения о семействе контроллеров SIMATIC S7-300

Универсальность программируемых контроллеров SIMATIC S7-300 заключается в следующих особенностях данного вида контроллеров:

- модульный программируемый контроллер для решения задач автоматизации низкого и среднего уровня сложности;

- широкий спектр модулей для максимальной адаптации к требованиям решаемой задачи.;

- использование распределенных структур ввода - вывода и простое включение в сетевые конфигурации.

- удобная конструкция и работа с естественным охлаждением;

- свободное наращивание функциональных возможностей при модернизации системы управления;

- высокая мощность благодаря наличию большого количества встроенных функций.

Благодаря этим отличительным характеристикам, S7-300 находит применение для автоматизации машин специального назначения, текстильных и упаковочных машин, машиностроительного оборудования, оборудования для производства технических средств управления и электротехнического оборудования, в системах автоматизации судовых установок и систем водоснабжения и т.д.

Контроллеры SIMATIC S7-300 поддерживают широкий набор функций, позволяющих в максимальной степени упростить процесс разработки программы, ее отладки, снизить затраты на обслуживание контроллера в процессе его эксплуатации. В достоинства входят:

- высокое быстродействие и поддержка математики с плавающей запятой, позволяющие выполнять эффективную обработку данных и обеспечивающие существенное расширение спектра допустимых областей применения контроллеров;

- удобный интерфейс для настройки параметров; для настройки параметров всех модулей используется единый набор инструментальных средств с общим интерфейсом;

- человеко-машинный интерфейс. Функции обслуживания человеко-машинного интерфейса встроены в операционную систему контроллера. Эти функции позволяют существенно упростить программирование. Система или устройство человеко-машинного интерфейса запрашивает необходимые данные у контроллера, контроллер передает запрашиваемые данные с заданной периодичностью. Все операции по обмену данными выполняются автоматически под управлением операционной системы контроллера с использованием одинаковых символьных имен и общей базы данных.

- диагностические функции, встроенные в операционную систему контроллера. С их помощью осуществляется непрерывный контроль функционирования системы, и выявляются все возникающие отказы. Диагностические сообщения с отметками даты и времени накапливаются в кольцевом буфере для последующего анализа.

Конструктивно, 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 через PtP (point to point) интерфейс;

- 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 остановки центрального процессора программируемого контроллера.

- 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

2 Вариант задания

Одной из целей данной курсовой работы является проектирование спецификации для АСУТП. Данные для задания представлены в таблице 1.

Таблица 1

Некоторое число аналоговых входов/выходов (AI/AO) или дискретных входов/выходов (DI/DO) реализуется с помощью взрывобезопасных модулей (Ех-модулей).

Количество Ех-модулей должно составлять 14% от каждого вида входа и выхода (аналогового или дискретного), поэтому уточним число взрывобезопасных модулей и модулей стандартного исполнения. Это количество представлено в таб. 2.

Таблица 2

Ниже будет рассмотрен выбор необходимых модулей на основе предоставленных данных.

3 Составление конфигурации, выбор и параметрирование модулей

В данном пункте будет произведено составление конфигурации и выбор модулей исходя из заданных показателей требуемых сигналов.

3.1 Выбор центрального процессора и блока питания

В качестве процессора для нашей системы выберем CPU 315-2 DP V 3.3 - центральный процессор для построения систем управления средней степени сложности со скоростной обработкой информации с встроенным интерфейсом ведущего/ведомого устройства PROFIBUS DP.

CPU 315-2 DP характеризуется следующими показателями:

§ 50 нс на выполнение бинарной инструкции 0.45 мкс на выполнение арифметической операции с плавающей точкой.

§ Рабочая память объемом 256 Кбайт, RAM (приблизительно 128 Kбайт инструкций);
для выполнения загруженной секции программы и хранения оперативных данных. Микро карта памяти (до 8 Мбайт), используемая в качестве загружаемой памяти, а также сохранения архива проекта (с комментариями и таблицей символов), архивирования данных и управления рецептами.

§ Комбинированный интерфейс MPI/PROFIBUS DP;
позволяет устанавливать одновременно до 16 соединений с программируемыми контроллерами S7-300/400, программаторами, компьютерами и панелями операторов.
MPI позволяет создавать простейшие сетевые структуры с объединением до 32 центральных процессоров и поддержкой механизма передачи глобальных данных.
Интерфейс MPI может быть реконфигурирован на работу в режиме ведущего или ведомого устройства PROFIBUS DP.

§ Интерфейс PROFIBUS DP
обеспечивает поддержку стандарта PROFIBUS DP V1. Это позволяет существенно расширять спектр используемых ведомых устройств DP V1, обеспечивать полноценную поддержку их диагностических функций и функций дистанционной настройки параметров.

Блоки питания PS 307 используют для своей работы входное напряжение ~120/230 В, что соответствует напряжению бытовой сети. Все блоки питания могут использоваться как для питания внутренних цепей контроллера, так и для питания его входных и выходных цепей.

Выбранные блок питания и процессор, установленные на рейке, а так же подключенные интерфейсные модули, изображены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Основная рейка системы с процессором и интерфейсными модулями

3.2 Выбор интерфейсного модуля

Исходя из данного задания следует, что при проектировании необходимо учесть определенное количество взрывобезопасных модулей, которые будут располагаться в удаленных от процессора помещениях. Так же, обычные модули входов/выходов так же будут расположены в некотором удалении от шкафа автоматики с центральным процессором. Поэтому, необходимо использовать интерфейсные модули, подключенные через профильную сеть к центральному процессору.

Для этого выберем интерфейсный модуль IM-361. Они монтируются на профильную шину SIMATIC и соединяются с другими модулями стойки через шинный соединитель. Дополнительного программного обеспечения для конфигурирования интерфейсных модулей не требуется.

3.3 Выбор сигнальных модулей

Сигнальные модули предназначены для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов контроллера. Они включают в свой состав:

- модули ввода дискретных сигналов;

- модули вывода дискретных сигналов;

- модули ввода-вывода дискретных сигналов;

- модули ввода аналоговых сигналов;

- модули вывода аналоговых сигналов;

- модули ввода-вывода аналоговых сигналов.

Начнем с выбора модулей дискретных входов/выходов.

3.3.1 Модули дискретных входов/выходов

Согласно заданию, соотношение DI/DO:

- на 24 В: 12/10;

- на 220 В: 1/2.

Так же, стоит учитывать, что количество взрывобезопасных модулей от общего числа модулей должно быть не менее 14%:

- на 24 В: 2/2;

- на 220 В: 1/1.

Для 24 В можно выбрать модуль DI16xDC24V с номером 6ES7 315-2AH14-0AB0 для DI и модуль DO16xDC24V/0.5A с номером 6ES7 322-8BH00-0AB0 для DO соответственно, оставшиеся входы можно записать как запасные.

На напряжение 220 В используем раздельные модули для DI и DO, а именно модуль DI8xAC230V с номером 6ES7 321-1FF01-0AA0 для DI и модуль DO8xRelay с номером 6ES7 322-1HF20-0AA0 для DO соответственно, с занесением остальных модулей как запасных. Все они будут помещены в отдельный интерфейсный модуль.

Ex-модули (модули искробезопасного исполнения) преимущественно используются для автоматизации процессов химической промышленности и обеспечивают разделение и согласование внешних защищенных Ex-цепей с внутренними незащищенными цепями контроллера. По сравнению с обычными модулями Ex-модули обеспечивают полную изоляцию соединительных цепей от окружающей среды.

Ех-модули так же будут помещены в отдельный интерфейсный модуль. Будут использованы 2 модуля: модуль DI4xNAMUR, Ex с номером 6ES7 321-7RD00-0AB0 для DI и модуль DO4xDC15V210mA, Exс номером 6ES7 322-5RD00-0AB0 для DO соответственно.

Описание интерфейсного блока с имеющимися блоками дискретных входов/выходов изображен на рисунке 2, блока с Ех-модулями – на рисунке 3.

Рисунок 2- Описание интерфейсного блока с модулями DI/DO

Рисунок 3 - Описание интерфейсного блока с Ех-модулями DI/DO
(выделены цветом)

3.3.2 Модули аналоговых входов/выходов

Согласно заданию, количество выводов для аналоговых входов:

- для тока – 6;

- для напряжения в вольтах - 5

- для напряжения в милливольтах – 7;

- для сопротивления – 2.

Для аналоговых выходов – 9.

Так же, стоит учитывать, что количество взрывобезопасных модулей от общего числа выводов должно быть не менее 14%:

- для аналоговых входов – 3;

- для аналоговых выходов – 3;

Для аналоговых входов (по току) используем модули AI8x16 bits с номером 6ES7 331-7NF10-0AB0. Параметры настройки модуля приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Параметры модуля AI8x16Bit

Для аналоговых входов (по вольтам) используем модули AI8x13 bits с номером 6ES7 331-7KF02-0AB0. Параметры настройки модуля приведены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Параметры модуля AI8x13 bits

Для аналоговых входов (по сопротивлению) используем модули AI8xRTD с номером 6ES7 331-7ЗА01-0AB0. Параметры настройки модуля приведены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Параметры модуля AI8xRTD

Описание интерфейсного блока с модулями аналоговых входов изображено на рисунке 7.

Рисунок7 – Описание интерфейсного блока с модулями для AI

Для аналоговых выходов используем модули (2) AО8x12bit с номером 6ES7 332-5HF00-0AB0.

Рисунок 8 - модули (2) AО8x12bit

Для Ех-модулей возьмем для аналоговых входов модули AIxTC/4xRTD, Ex и AI4x0/4 to 20mA, Ex с номерами 6ES7 331-7SF00-0AB0 и 6ES7 331-7RD00-0AB0 соответственно, для аналоговых выходов – модуль AO4x0/4 to 20mA, Ex с номером 6ES7 332-5RD00-0AB0.

Для Ех-модулей возьмем для дискретных входов модули DI4xNAMUR, Ex с номером 6ES7 321-7RD00-0AB0, для дискретных выходов – модуль DO4xDC15V/20mA, Ex с номером 6ES7 322-5RD00-0AB0. 

Описание интерфейсного блока с Ех-модулями дискретных и аналоговых входов/выходов изображено на рисунке 9.

Рисунок 9 – Описание интерфейсного блока с Ех-модулями для DI/DO и  AI/AO

4 Общая спецификация

В результате требуемого объема рабочей программы, конструктивных и функциональных особенностей модулей SIMATIC S7-300, составим окончательную спецификацию выбранного оборудования, используя для этого электронный каталог. Спецификация представлена в таблице 3.

Таблица 3

Итоговая стоимость системы (в евро): 10352.

Заключение

В качестве заключения стоит сказать, что в ходе проведения курсовой работы были составлены конфигурация и параметрирование элементов системы автоматизации, в частности, были учтены все виды входов и выходов, а также выполнены взрывобезопастные Ех-модули, а также подготовлена спецификация оборудования с учетом их количества и цен на них.

Список использованной литературы

- «SIMATIC.Комплексная автоматизация производства»;

- Каталог ST 70-2005;

- «SIMATIC.Компоненты для комплексной автоматизации. Информация по продуктам 2006»;

- Каталог «SIMATIC Controllers»;

- Электронный каталог СА01.