Анализ автоматизированной системы судопропуска

Аннотация

 

Тема выпускной работы бакалавра – «Анализ автоматизированной системы судопропуска Волго-Донского судоходного канала».

Объектом исследования является Федеральное бюджетное  учреждение Волго-Донское государственное  бассейновое управление водных путей и судоходства.

Предмет анализа – информационно-управляющая система  технологической безопасности судопропуска.

Выпускная работа изложена на шестидесяти двух листах, содержит восемь рисунков, шестнадцать ссылок на литературные источники.

Во введении описано общее устройство исследуемого объекта, поставлена цель написания выпускной работы, определены объект и предмет исследования, задачи.

В первой главе выпускной  работы рассмотрена структура информационно-управляющей системы технологической безопасности судопропуска, дана классификация компонентов.

Во второй главе подробно рассмотрено устройство информационно-управляющей системы  технологической безопасности судопропуска. Проанализированы достоинства и недостатки данной системы.

В третьей главе рассмотрен процесс судопропуска поэтапно. Также подробно описана работа контроллера верхней головы левого устоя.

Заключение содержит основные выводы по эффективности и  реализации информационно-управляющей  системы технологической безопасности судопропуска, используемой на шлюзах Федерального бюджетного учреждения Волго-Донского государственного бассейнового управления водных путей и судоходства.   

 

 

 

Содержание

 

Введение           6

1 Описание информационно-управляющей  системы технологической 

   безопасности судопропуска, классификация компонентов  8

   1.1 Конструктивное исполнение ИУС ТБС     9

  1.2 Структура ИУС ТБС        9

  1.3 Классификация контроллеров              10

         1.3.1 Мощность                11

         1.3.2 Область применения              12

         1.3.3 Открытость архитектуры             14

         1.3.4 PC-совместимость               15

         1.3.5 Конструктивное исполнение             17

   1.4 Классификация датчиков, основные требования к ним                  21

         1.4.1 Параметрические датчики             23

         1.4.2 Датчики – генераторы              28

         1.4.3 Микроволновые датчики             31

         1.4.4 Схемы включения датчиков             32

2 Устройство информационно-управляющей  системы  

   технологической безопасности судопропуска            34

   2.1 Описание элементов системы              35

          2.1.1 Программируемые контроллеры            35

          2.1.2 Модули Smart Slice               37

          2.1.3 Программируемые терминалы            37

          2.1.4 Сети и каналы связи               38

          2.1.5. Частотные преобразователи              40

          2.1.6 Датчики                 42

          2.1.7 Система видеоконтроля и видеонаблюдения          46

          2.1.8 Электропитание силового оборудования                  47

          2.1.9 Электропитание цепей управления ИУС ТБС            48

3 Процесс судопропуска                50

  3.1 Защиты и блокировки                  54

  3.2 Контроллер верхней головы левого устоя                     56

         3.2.1 Автоматический режим управления процессом

                  шлюзования                 57

   3.3 Контроллер нижней головы правого устоя                    58

Заключение                 60

Список использованных источников                      61

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Автоматизированная система судопропуска Волго-Донского судоходного канала представлена - информационно-управляющей системой  технологической безопасности судопропуска, разработанной ЗАО «Траскон Технолоджи». На данный момент, рассматриваемая система, установлена и успешно работает на первом, третьем и пятом шлюзах Волго-Донского судоходного канала. Впервые она была установлена и отлажена на первом шлюзе в 2006 году.

ИУС ТБС является аппаратно-программным комплексом, предназначенным для автоматизированного управления процессом судопропуска через судоходные шлюзы Волго-Донского судоходного канала, контроля корректности выполнения операций по маневрированию рабочими механизмами шлюза и регистрации технологического процесса на основании кибернетической модели взаимодействия объекта управления (шлюза) и объекта обслуживания (судна).

На основании сравнения в реальном времени текущего состояния объекта управления - судоходного шлюза и его взаимодействия с объектом обслуживания - судном, система выполняет следующие функции:

• автоматизированное управление процессом судопропуска через судоходные шлюзы;
• контроль корректности выполнения операций по маневрированию рабочими механизмами шлюза;
• контроль безопасности взаимодействия объекта управления (шлюза) и объекта обслуживания (судна);
• регистрации хода технологического процесса;
• формирование информации для верхнего яруса диспетчерского управления движением по каналу;
• техническую диагностику электромеханического оборудования шлюза;
• автоматизированное ведение оперативной документации.

Целями данной работы  является подробный анализ информационно-управляющей системы технологической безопасности судопропуска, рассмотрение способа её реализации на практике, описание основных компонентов.

Для достижения поставленной цели дипломной работы необходимо решить следующие задачи:

- изучить классификацию компонентов, использованных при реализации информационно-управляющей системы;

- охарактеризовать каждый компонент системы и описать его функции;

- изучить работу отдельных компонентов системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Описание  информационно-управляющей системы  технологической безопасности судопропуска, классификация компонентов

 

1. Конструктивное исполнение ИУС ТБС

 

Оборудование, входящее в состав ИУС ТБС, распределено по зданиям шлюза и установлено в непосредственной близости от объектов управления и датчиков. В системе предусмотрено дублирование (резервирование) основных функций, в результате чего однократный отказ оборудования не приводит к останову выполнения технологического цикла судопропуска.

Оборудование ИУС ТБС монтируется в монтажных шкафах, которые в свою очередь сгруппированы в сборки шкафов, расположенные в зданиях устоев шлюза. При сборке шкафов на объекте обеспечивается герметизация межшкафных швов, и вводов кабелей.

Ввод кабелей силового электропитания, а также сигнальных и оптических кабелей производится снизу, для этого в конструкции шкафов предусмотрен цоколь.

Шкафы устанавливаются на объекте таким образом, чтобы обеспечивался доступ к аппаратам системы. Для шкафов, требующих обслуживания сзади, предусмотрен технологический зазор между стеной и сборкой шкафов.

 

1.2 Структура ИУС ТБС

 

ИУС ТБС представляет собой распределенную трехуровневую систему управления технологическим оборудованием шлюза.

Нижний уровень системы включает в себя датчики, исполнительные устройства, токоприемники технологического оборудования шлюза.

Средний уровень системы базируется на высоконадежных, дублированных промышленных контроллерах и сетевых удаленных модулях передачи сигналов, обеспечивающих как получение сигналов от датчиков, так и выдачу управляющих сигналов на исполнительные элементы системы. Удаленные модули передачи сигналов объединены промышленной сетью DeviceNet.

Для повышения надежности системы все удаленные модули передачи сигналов разделены функционально на четыре сети, при этом сети первая и вторая предназначены для сбора/выдачи сигналов внутри сборок шкафов, а третья  и четвёртая сети предназначены для сбора сигналов с аппаратуры, территориально расположенной вне сборок шкафов.

Контроллеры среднего уровня объединены промышленной сетью Controller Link, представляющей собой оптическое, отказоустойчивое кольцо. Сетевые модули контроллеров резервированы. Каждая сборка шкафов снабжена жидкокристаллическим цветным графическим терминалом, предназначенным для оперативного вывода инженерной и диагностической информации по месту установки сборки шкафов.

Верхний уровень системы содержит пультовое оборудование диспетчерской, шкаф центрального управления с центральным контроллером и компьютер промышленного исполнения. Центральный контроллер отрабатывает общесистемные алгоритмы, формирует задания для контроллеров среднего уровня и осуществляет решение логических задач, связанных с работой оборудования центральной диспетчерской шлюза. Компьютер осуществляет запись и хранение необходимых архивов и ведение журнала событий в режиме реального времени.

 

1.3 Классификация контроллеров

 

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) уже давно и  прочно заняли свою нишу на рынке средств автоматизации. Развитие полупроводниковой элементной базы, разработка новых средств информационного обмена, развитие алгоритмов управления способствует тому, что линейка ПЛК непрерывно расширяется. Многообразие ПЛК с различными функциональными и техническими, конструктивными характеристиками настолько велико, что разработчики систем автоматизации зачастую оказываются перед нелегким выбором: какой контроллер наилучшим образом подойдет для решения той или иной задачи.

 

1.3.1 Мощность

 

Под обобщённым термином «мощность» понимается разрядность  и быстродействие центрального процессора, объём разных видов памяти, число портов и сетевых интерфейсов. Очень часто основным показателем, косвенно характеризующим мощность контроллера и, одновременно, являющимся важнейшей его характеристикой, является число входов и выходов (как аналоговых, так и дискретных), которые могут быть подсоединены к контроллеру. По этому показателю контроллеры подразделяются на следующие классы [8]:

- наноконтроллеры (часто с встроенными функциями), имеющие до пятнадцати входов/выходов;

- малые контроллеры,  рассчитанные на 15-100 входов/выходов;

- средние контроллеры,  рассчитанные примерно на 100-300 входов/выходов;

- большие контроллеры,  рассчитанные примерно на 300-2000 входов/выходов;

- сверхбольшие контроллеры,  имеющие примерно от 2000 и более  входов/выходов.

Очень важно отметить, что с ростом мощности контроллера  растёт его цена. Причем при переходе разница по цене между различными классами контроллеров очень значительна. Одна из задач при разработке системы управления – это чётко зафиксировать число входных и выходных сигналов объекта управления, чтобы избежать лишних затрат при выборе контроллера.

1.3.2 Область применения

 

Область применения –  один из наиболее важных признаков  классификации. Область применения контроллера накладывает целый ряд требований к контроллерам и очень сильно сужает круг поиска при разработке систем управления.

- специализированный контроллер со встроенными функциями

Обычно им является минимальный  по мощности контроллер, программа  действия которого заранее прошита в его памяти, а изменению при эксплуатации подлежат только параметры программы. Число и набор модулей ввода/вывода определяется реализуемыми в нем функциями. Часто такие контроллеры реализуют различные варианты функций регулирования. Основные области применения: локальное управление какой-либо малой технологической установкой или механизмом.

    Так, например, управление нагревом муфельной печи имеет смысл осуществить при помощи отдельного температурного контроллера. Во-первых, контроллер можно будет расположить возле самой печи, что избавит от необходимости далеко вести провода от датчиков, а во-вторых, температурные контроллеры, как правило, имеют органы индикации, которые позволят видеть текущее значение температуры.

-контроллер для реализации логических зависимостей. Главные сферы применения такого контроллера: станкостроение, машиностроение, замена релейно-контактных шкафов во всех отраслях промышленности. Он характеризуется прошитой в его памяти развитой библиотекой логических функций и функций блокировки типовых исполнительных механизмов. Для его программирования используются специализированные языки типа релейно-контактных схем. Набор модулей ввода/вывода у такого контроллера рассчитан, в основном, на разнообразные дискретные каналы. Наиболее простыми представителями данного класса контроллеров являются интеллектуальные реле.

- контроллер, реализующий любые вычислительные и логические функции. Наиболее распространённый универсальный контроллер, не имеющий ограничений по области применения. Центральный процессор контроллера имеет достаточную мощность, разрядность, память, чтобы выполнять как логические, так и математические функции. Иногда, для усиления его вычислительной мощности, он снабжается ещё и математическим сопроцессором (во многих современных процессорах математический сопроцессор интегрирован в сам кристалл). Инструментальные средства для программирования таких контроллеров, как правило, поддерживают несколько языков программирования, таких как язык релейно-контактных схем, функционально-блоковых диаграмм, язык С, Basic, Pascal и тому подобные. Как правило, также предоставляется большая библиотека уже реализованных логических, математических и коммуникационных функций. В состав модулей ввода/вывода входят модули на всевозможные виды и характеристики каналов (аналоговых, дискретных, импульсных и т. д.).

- контроллер противоаварийной защиты. Он должен отличаться от контроллеров других классов:

а) особенно высокой надежностью, достигаемой различными вариантами диагностики и резервирования (например, диагностикой работы отдельных компонентов контроллера в режиме реального времени, наличием основного и резервного контроллеров с одинаковыми аппаратным и программным обеспечениями, резервированием блоков питания и коммуникационных шин);

б) высокой готовностью, т. е. высокой вероятностью того, что объект находится в рабочем режиме (например, не только идентификацией, но и компенсацией неисправных элементов; не просто резервированием, но и восстановлением ошибок программы без прерывания работы контроллеров);

в) отказоустойчивостью, когда при любом отказе автоматизируемый процесс переводится в безопасный режим функционирования.

- контроллер телемеханических систем автоматизации. Данный класс универсальных контроллеров удобен для создания систем диспетчерского контроля и управления распределёнными на местности объектами. В контроллерах данного класса повышенное внимание уделяется программным и техническим компонентам передачи информации на большие расстояния беспроводными линиями связи. В качестве таких линий часто используются УКВ-радиоканалы с обычными или транковыми радиостанциями. При этом возможна передача информации от каждого контроллера в диспетчерский центр, а также эстафетная передача информации по цепи от одного контроллера к другому до достижения диспетчерского центра.

В настоящее время, в  связи с большим скачком в  развитии сотовой связи, всё большее  распространение получает передача информации через сети GSM. По сравнению с транковыми сетями сети GSM имеют ряд достоинств и недостатков. Тем не менее, отметим, что всё большее количество производителей контроллеров для телемеханических систем автоматизации предлагают коммуникационные модули со встроенными GSM-модемами.

 

1.3.3 Открытость архитектуры

   

По структуре контроллеры  подразделяются на два класса: контроллеры, имеющие фирменную закрытую структуру, и контроллеры открытой структуры, основанной на одном из магистрально-модульных стандартов [8].

При закрытой фирменной  структуре изменения (модификации) контроллера возможны, обычно, только компонентами производителя. Сами изменения достаточно ограничены и заранее оговорены производителем.

При открытой магистрально-модульной структуре, имеющей стандартный интерфейс для связи центрального процессора с другими модулями контроллера, ситуация кардинально меняется:

- открытость и широкая  доступность стандарта на шину, соединяющую модули разного назначения, даёт возможность выпускать в данном стандарте любые модули разным производителям, а разработчикам контроллеров даёт возможность компоновать свои средства из модулей разных фирм;

- возможность любой  модификации и перекомпоновки  средств путем замены в них отдельных  модулей, а не замены самих средств, удешевляет эксплуатацию средств;

- сборка контроллеров  из готовых модулей позволяет  точнее учитывать конкретные  технические требования и не  иметь в них лишних блоков  и элементов, не нужных для данного конкретного применения;

- широкая кооперация  разных фирм, поддерживающих данный  стандарт на шину и работающих в этом стандарте, позволяет пользователям модулей не быть привязанными к конкретному поставщику и иметь широкий выбор необходимой ему продукции.

  В качестве примера распространённого стандартного интерфейса для обмена информацией внутри контроллера можно привести интерфейс VME. Эта шина была разработана фирмой Motorola и впоследствии была стандартизирована IEC как ANSI/IEEE 1014-1987 (отечественный аналог – ГОСТ Р МЭК 821-2000).

 

1.3.4 PC-совместимость

 

По этому признаку все контроллеры можно разделить  на два класса: PC-совместимые и PC-несовместимые. Каждый из этих классов имеет свои достоинства и недостатки.

PC-совместимые контроллеры  можно охарактеризовать следующими особенностями:

- они имеют классическую  открытую архитектуру IBM PC;

- в них используется  элементная база, та же, что и  у обычных PC;

- они работают под  управлением тех же операционных  систем, которые широко используются  в персональных компьютерах, например Windows, Unix, Linux, QNX;

- программируются они  теми же языками, которые используются  для разработки ПО для PC;

- на них, как правило,  возможна работа программного  обеспечения, разработанного для персональных компьютеров, при наличии требуемых для ПО аппаратных ресурсов.

PC-несовместимые контроллеры  можно охарактеризовать так:

- архитектура контроллеров  закрыта, она, как правило, является  ноу-хау разработчика;

- элементная база, на  которой строятся контроллеры,  существенно отличается от используемой в PC, она разная у разных производителей;

- операционные системы,  под управлением которых работают  контроллеры, совершенно другие, нежели те, которые используются в РС, они часто разрабатываются самими производителями именно для данного типа или линейки контроллеров;

- так как в таких  контроллерах практически не  используются стандарты, предлагаемые  разработчиками распространённых операционных систем для PC, то работа PC-программ на этих контроллерах оказывается невозможной.

Из рассмотренных выше характеристик можно сделать вывод о сравнительных достоинствах и недостатках РС-совместимых и несовместимых контроллеров. РС-совместимые контроллеры по сравнению с РС- несовместимыми контроллерами в целом обладают большей мощностью, легче стыкуются с различными SCADA, MES, ERP системами, системами управления базами данных, открыты для большинства стандартов в областях коммуникаций и программирования, они в среднем дешевле, проще обслуживаются и ремонтируются.

В то же время РС-несовместимые  контроллеры лучше учитывают требования промышленной автоматики; их операционные системы гарантируют отклик контроллера на внешнее событие через заданное время (операционные системы реального времени). Они в целом более надежны, так как больше используют наработанные в промышленности способы диагностики и горячего резервирования, обеспечивающие отказоустойчивость системы в целом. В них шире используются возможности связи с различными полевыми шинами.

Достоинства и недостатки каждого из этих видов контроллеров определяют их области использования. РС- несовместимые контроллеры целесообразно применять на нижних уровнях автоматизации, «поближе» к технологическому объекту. Здесь необходимы связь с периферийными устройствами по полевым шинам, исполнение в реальном времени (с гарантированным временем отклика на внешние воздействия) и надёжность. А открытость контроллера для связи со SCADA, MES или СУБД, как правило, не требуется. РС-совместимые же контроллеры целесообразнее применять на верхних уровнях автоматизации, где требования к реальному времени и связи по полевым шинам отсутствуют, зато становятся строже требования по информационной совместимости контроллеров с корпоративными сетями.

 

1.3.5 Конструктивное исполнение

 

По конструктивному  исполнению контроллеры можно разделить  на несколько групп, мы их условно назовем так:

- встраиваемые контроллеры. Как правило, не имеют корпуса, часто конструкция просто крепится на раме. Требований к защитным оболочкам таких контроллеров не предъявляются, поскольку контроллеры встраиваются в общий корпус оборудования и являются неотъемлемой частью этого оборудования. Пример встраиваемого контроллера приведен на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1 - Встраиваемый контроллер.

 

- контроллеры, размещаемые в общий конструктив. Такие контроллеры характеризуются тем, что все модули – процессорный, коммуникационные, модули ввода-вывода – размещаются в одном конструктиве. В таких контроллерах, как правило, предусматривается некая «материнская» плата с разъёмами, в которые вставляются все модули контроллера.

Конструктивы таких контроллеров бывают как оригинальными, разрабатываемыми производителями, так и стандартизированными. Одним из примеров стандартизированных конструктивов является конструктив Евромеханика (DIN 41494 / IEC 297-1). Стандарт Евромеханика регламентирует ширину, высоту и глубину рамы контроллера. Пример контроллера в конструктиве Евромеханика приведён на рисунке 2.

 

 

 

 

Рисунок 2 - Контроллер в конструктиве Евромеханика.

 

Ниже на рисунке  приведён пример контроллера в нестандартизированном конструктиве.

 

 

 

 

Рисунок 3 - Контроллер в нестандартизированном конструктиве, с внутренней шиной.

 

- контроллеры модульного типа. Контроллеры модульного типа не используют общего конструктива. Каждый модуль таких контроллеров, будь то процессорный модуль или модуль ввода-вывода, имеет собственный корпус. Так как защитную оболочку для каждого модуля сделать проще, чем для всего контроллера, то именно этот тип контроллеров чаще всего выпускают для жёстких условий эксплуатации в исполнениях IP 67 и выше.

Контроллеры модульного типа очень часто выпускают в корпусе для монтажа на рейку DIN NS 35/7,5. Можно выделить две разновидности контроллеров: с внутренней межмодульной шиной и с внешней шиной.

Модули контроллеров с внутренней межмодульной шиной  на боковых поверхностях имеют контакты для подключения соседних модулей. А модули контроллеров с внешней шиной, как правило, используют для  связи между модулями какую-нибудь скоростную полевую шину, например CAN.

В качестве примера на рисунке 3 показан контроллер с внутренней шиной, а на рисунке 4 и рисунке 5 показаны модули контроллера с внешней шиной, приспособленные для эксплуатации в жёстких условиях.

 

 

Рисунок 4 - Модуль контроллера с внешней шиной.

 

 

Рисунок 5 - Модуль контроллера с внешней шиной.

 

 

 

1.4 Классификация датчиков, основные требования к ним

 

Автоматизация различных  технологических процессов, эффективное  управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.

Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

Датчик - это элемент  измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы [3]. Или проще, датчик - это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Используемые датчики  весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура - 50%, расход (массовый и объемный) - 15%, давление - 10%, уровень - 5%, количество (масса, объем) - 5%, время - 4%, электрические и магнитные величины - менее 4%.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная  величина, различают неэлектрические  и электрические: датчики постоянного  тока (ЭДС или напряжения), датчики  амплитуды переменного тока (ЭДС  или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено  следующими достоинствами электрических измерений:

- электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

- электрические величины  универсальны в том смысле, что  любые другие величины могут  быть преобразованы в электрические  и наоборот;

- они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия датчики можно разделить на два  класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы).

Генераторные датчики  осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Параметрические датчики  входную величину преобразуют в  изменение какого-либо электрического параметра датчика.

По принципу действия датчики также можно разделить  на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Различают три класса датчиков:

- аналоговые датчики,  т. е. датчики, вырабатывающие  аналоговый сигнал, пропорционально  изменению входной величины;

- цифровые датчики,  генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

- бинарные (двоичные) датчики,  которые вырабатывают сигнал  только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили  широкое распространение благодаря своей простоте.

Требования, предъявляемые к датчикам:

- однозначная зависимость  выходной величины от входной;

- стабильность характеристик  во времени;

- высокая чувствительность;

- малые размеры и  масса;

- отсутствие обратного  воздействия на контролируемый  процесс и на контролируемый параметр;