Дипломная работа: Разработка единой системы управления энергокомплексом на пивоваренном заводе Carlsberg на базе SIMATIC WinCC Advanced

Содержание

Введение…………………………………………………………....
1 Общие сведения о системе визуализации и единой системы управ-
ления энергокомплексом …………………..…..................................
1.1 Общие сведения о системе визуализации…………..…………….
1.2 Industrial Ethernet и Ethernet/IP протокол ……………………….
1.3 Использование Wi-Fi технологии расположение точек
доступа………………………………………………………............
1.4 Использование VLAN для объединения двух сегментов сети….
1.5 Profibus, протокол Profibus DP и метод Master-Slave..................
1.6 Постановка задачи ………………………………………...............
2 Разработка единой системы управления энергокомплексом ……….
2.1 Выбор контроллера для управления следующими участками:
бойлерная, артезианская скважины 1, 2, 3, 4 и ПГУ.................
2.2 Выбор роутера для передачи информации по воздуху………….
2.3 Выбор коммуникационного модуля CP 343-1 Lean……………...
2.4 Разработка структурной схемы организации сети………............
2.5 Выбор программного продукта для разработки SCADA-
системы управления энергокомплексом………………………….
2.6 Разработка SCADA- системы. Описание центрального пульта управления……………………………..........................................
2.7 Общее описание системы визуализации…………………............
3 Экономическая часть. Расчет суммарных эксплуатационных затрат
на разработку единой системы управления на пивоваренном заводе
Carlsberg ……………………………….............................................
3.1 Расчет суммарных эксплуатационных затрат для первого вари-
анта автоматизации………………...……………………………….
3.2 Расчет суммарных эксплуатационных затрат для второго вари-
анта автоматизации …………………………………………………
4 Безопасность жизнедеятельности……………….…………………….
4.1 Анализ условий труда в цехе СО2………………………………...
4.2 Расчет освещения………………….………………………………..
4.3 Расчет защитного зануления цеха СО2……………………………
Заключение………………………………………………………………..
Перечень сокращений……………………………………………...........
Список литературы………………………………………………............
1 Общее сведения о системе визуализации
Система визуализации создана на базе программного обеспечения про-
ектирования SIMATIC WinCC RT Advanced v11, интегрированного в TIA Por-
tal v11. Она предназначена для осуществления оперативного контроля за со-
стоянием объектов входящих в состав единой системы управления энерго-
комплексом. С экранов мнемосхем, отображаемых на мониторе, осуществля-
ется управление оборудованием системы.
Система визуализации осуществляет:
- приём данных с различных датчиков, установленных на оборудовании
и технологических линиях, через программируемый логический контроллеры
(ПЛК) SIMATIC S7-1200, S-300 фирмы Siemens;
- индикацию параметров и состояния оборудования в виде графических
мнемосхем на экране ПК;
- управление технологическим оборудованием;
- сигнализацию аварийных сообщений системы;
- автоматическое ведение архива предупредительных и аварийных со-
общений, а также значений технологических величин;
- вывод отчета об авариях за необходимый период.
Комплекс управляется с единого пульта управления, расположенного в
цехе CO2. Возможности, которые были возможны при локальном управлении,
стали возможны и при управлении с единого пульта. В аппаратные конфигу-
рации существующих проектов были добавлены коммуникационные процес-
соры CP 343-1 Lean для использования протокола EtherNet/IP. IP – адреса ука-
заны в соответствующих разделах документа.
Никаких изменений в структуру программы внесено не было, разраба-
тывалась лишь SCADA-система для возможности управления и контроля все-
ми процессами из одной точки. У котельной, парогенераторной установки и
артезианских скважин не было щитов управления и ПЛК, поэтому от меня по-
следовало предложение снабдить их контроллерами S7-1200, поскольку дан-
ные с этих участков также хотели видеть операторы.
ПЛК соединены в локальную сеть с использованием протокола Ether-
Net/IP для организации обмена данными между собой и верхним уровнем си-
стемы. В таблице 1.1 указаны сведения об используемых технических сред-
ствах (в скобках указано название проектов).

Таблица 1.1 - Сведения об используемых технических средствах
Станция
Адрес
Место расположения
PC станция WinCC RT Advaced
PC станция WinCC Flexible 2008 RT
Simatic S7 315-2DP + CP 343-1
Окончание таблицы 1.1
192.168.5.77 Варочный цех
192.168.5.76 Варочный цех
192.168.5.81 Станция СО2(Brewery)
На отдельной PC станци WinCC Flexible 2008 RT выведена оператоская
панель с объекта Амиачный цех Jonson Controls.
Воздушные компрессоры имеют только внутренний протокол обмена
данных CAN bus, и поскольку оборудование Siemens не предусматривает ра-
ботать с данным типом протокола, необходимо дооснащение этих компрессов
специальным шлюзом Profibus.
Первые 3 артезианские скважины расположены в одном месте, четвер-
тая находится далеко от них.
Обычная лицензия Advanced v11 дает возможность организовать обмен
данных только с 8 оборудованиями, то есть создать 8 connections. На заводе
имеется 11 участков, с которыми необходимо организовать связь. Для реше-
ния этой проблемы было принято передавать данные с трех ПЛК, располо-
женных в бойлерной, 3-й и 4-й артезианских скважинах соответственно, в
один ПЛК ПГУ, и связать его со SCADA как один connection с целью эконо-
мии денег в приобретении дополнительной лицензии для увеличения числа
связей.

1.2 Industrial Ethernet и EtherNet/IP протокол
Industrial Ethernet (Промышленный Ethernet) – это мощные вычисли-
тельные сети , используемы на верхних уровнях АСУТП, соответствующие
международным стандартам EEE 802.3 (Ethernet, 10 Мбит / с ) и IEEE 802.3u
(Fast Ethernet, 100Мбит/ с ). За счет наличия возможности автоматической
настройки режимов передачи, и построение коммутируемых сетей, стандарт
обрел популярность в системах автоматики. Продвижение и поддержка ста н-
дарта ведется организацией Industrial Ethernet Association (см. рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – Industrial Ethernet

Внедрению Industrial Ethernet в промышленные сети способствовали
следующие факторы:
- скорость передачи данных, достигающая 10 Гбит/с, что позволяет
строить системы жесткого реального времени;
- простота построения интегрированных сетей с Internet и Intranet, ис-
пользуя протоколы SNMP, FTP, MIME, HTTP;
- легкость в построении общей интегрированной системы офисных и
промышленных сетей;
- возможность организации многомастерных сетей;
- использование самых различных сетевых топологий.
Применению промышленного Ethernet некоторое время препятствовало
метод случайного доступа к сети, не гарантировавший доставку сообщения в
короткое и заранее известное время. С применением коммутаторов industrial
ethernet эта проблема была решена.
Выделяют 4 стандартных скорости передачи данных по витой паре или
оптоволоконному кабелю Industrial Ethernet : 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с и
10 Гбит/с.
Industrial Ethernet обычно используется для обмена данными меж-
ду программируемыми контроллерами и системами человеко -машинного ин-
терфейса, реже для обмена данных между контроллерами и, незначительно,
для подключения к контроллерам удаленного оборудования (датчиков и и с-
полнительных устройств).
В последнее время является одной из распространённых промышленных
сетей. Широко применяется при автоматизации зданий.
Для обеспечения гарантированного времени реакции используют прото-
колы реального времени:
- Profinet;
- EtherCAT;
- Ethernet Powerlink;
- EtherNet/IP;
- SERCOS III;
- LAN eXtensions for Instrumentation.
Эти протоколы в различной степени модифицируют стандартный стек
TCP/IP, добавляя в него:
- функции синхронизации;
- новые алгоритмы сетевого обмена;
- диагностические функции;
- методы самокорректировки.
Канальный и физический уровни Ethernet при этом остаются неизмен-
ными. Что позволяет использовать протоколы реального времени в суще-
ствующих сетях Ethernet с использованием стандартного сетевого оборудова-
ния.
В чем же отличие Industrial Ethernet и его стандартной вариации? Самы-
ми главными признаками являются:
- детерминированность поведения и отсутствие коллизий;
- промышленные климатические условия работы;
- устойчивость к вибрациям;
- отсутствие вентиляторов и кулеров в работе;
- высокие требования электромагнитной совместимости;
- компактность, удобство в подключении;
- разъемы и оборудование со степенью защиты до IP67;
- полнодуплексная передача;
- высокая степень защиты от электростатических зарядов, электромаг-
нитных импульсов, от превышения напряжения питания.
Естественно, что промышленная сеть Ethernet передает много вспомога-
тельных данных. К примеру, при пересылке всего 8 байт, что типично для
АСУ ТП, то полезная информация в протоколе составляет всего 11%, по-
скольку каждый пакет TCP/IP содержится 68 байт служебной информации.
Нивелируется это большой пропускной способностью Industrial Ethernet сетей.
Достоинства:
- низкая цена;
- широкое распространение;
Средой передачи industrial ethernet может быть:
- FC TP (Fast Connect twisted pair — витая пара для быстрого монтажа) –
обычный «офисный» вариант витой пары;
- промышленные витые пары (ITP — Industrial Twisted Pair) с длиной
линии до 100м;
- оптические каналы связи;
- беспроводные каналы связи в частотном диапазоне 2.4 ГГц, отвечаю-
щие стандарту IEEE 802.11b.
Одной из отличительных особенностей стандарта является простота
интеграции протокола Profibus и Industrial Ethernet . Достигается это за счет
стандарта Profinet (IEC 61158 и IEC 61784). Протокол Profinet представляет со-
бой совместимый с Profibus сетевой протокол построенный на базе Industrial
Ethernet. Разработкой протокола занимается компания Siemens .

Протокол Ethernet/IP
Протокол Ethernet/IP (Industrial Ethernet Protocol), который используется
в дипломном проекте для объединения всех ПЛК в одну локальную сеть, раз-
работан на основе CIP (Common Interface Protocol) — протокола, по которому
осуществляется объединение отдельных компонентов в единый модуль. Пр о-
токол EtherNet/IP обеспечивает передачу критичных ко времени доставки
данных между управляющим устройством и устройствами ввода - вывода, а
также обмен в сети Internet. Некритичные ко времени данные пересылаются
через стек TCP, а доставка критичных ко времени данных осуществляется ч е-
рез стек UDP.
Поскольку технология Ethernet используется с середины 1970-ых и ши-
роко принята во всём мире, то продукты Ethernet поддерживает большое ко-
личество поставщиков. Используя продукты Ethernet, вы не только следуете за
общим направлением современной технологии, — у вас есть возможность
иметь доступ ко всем устройствам уровня данных из Internet. EtherNet/IP во з-
ник из - за высокого спроса на использование сети Ethernet для приложений
управления.
EtherNet/IP — открытая сеть, поскольку она использует:
- стандарт IEEE 802.3 для физического носителя и уровня данных;
- блок протоколов стандарта Ethernet TCP/IP (протокол контроля пере-
дачи / протокол Internet), — промышленный стандарт Ethernet;
- информационно-управляющий протокол (CIP) — протокол, который
обеспечивает обмен сообщениями ввода/вывода в реальном времени и прямой
обмен информационными сообщениями. Сети ControlNet и DeviceNet также
используют CIP.
TCP/IP — протокол транспортного и сетевого уровней Internet и широко
связан с сетями Ethernet и деловым миром. TCP/IP обеспечивает набор серви-
сов, которые, для совместного использования данных, могут использовать
любые два устройства. Поскольку технология Ethernet и стандартные блоки
протокола, например, TCP/IP опубликованы для общественного использов а-
ния, то стандартизованные сервисные программы и физические носители
производятся массово и легко доступны, что дает вам два преимущества:
- известная технология;
- доступность.
UDP/IP (протокол датаграмм пользователя), также используется сов-
местно с сетью Ethernet. UDP/IP обеспечивает быструю, эффективную достав-
ку данных, необходимую для обмена данными в реальном времени.
Для того чтобы добиться успеха EtherNet/IP, для обеспечения общего
слоя приложений поверх TCP/UDP/IP добавлен CIP. Следовательно, когда вы
выбираете продукт EtherNet/IP, то вы выбираете продукт с возможностями
CIP. К тому же, EtherNet/IP использует сетевую модель «производи-
тель/потребитель», подобно сетям DeviceNet и ControlNet . С введением техно-
логии коммутации Ethernet и дуплексной передачи данных, случаи коллизии
данных теоретически устранены, и производительность вашей сети
EtherNet/IP значительно улучшена.

1.3 Использование Wi-Fi технологии и расположение точек доступа
На заводе создана беспроводная сеть Wi-Fi, поскольку Ethernet кабеля
прокладывать на большие расстояние было не выгодно. Посредством этой
технологии осуществляется отправка и прием сигналов с единого пульта
управления на соответствующие участки завода. Всего на заводе имеется 5
точек доступа. Точка доступа представляет собой роутер(маршрутизатор)
производства компании D-Link. Они расположены на следующих участках:
бойлерная, очистные установки, водоподготовка, артезианские скважина №3 и
артезианская скважина №4.
Беспроводная точка доступа ( англ. Wireless Access Point, WAP) — это
беспроводная базовая станция, предназначенная для обеспечения беспровод-
ного доступа к уже существующей сети (беспроводной или проводной) или
создания новой беспроводной сети.
Объединение компьютеров в проводную сеть обычно требует прокладки
множества кабелей через стены и потолки. Также проводные сети накладыва-
ют определённые ограничения на расположение устройств в пространстве.
Этих недостатков лишены беспроводные сети: можно добавлять компьютеры
и прочие беспроводные устройства с минимальными физическими, времен-
ными и материальными затратами. Для передачи информации беспроводные
точки доступа используют радиоволны из спектра частот, определённых ста н-
дартом IEEE 802.11.
Возьмем пример работы участка водоподготовка и артезианские сква-
жины №1,2,3. На участке водоподготовка имеется hub(концентратор) -
устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet c применением ка-
бельной инфраструктуры , чтобы установить связь между цехом CO2 и участ-
ком водоподготовки по кабелю. По wi-fi подается сигнал из скважин, который
поступает на точку доступа, расположенную на участке водоподготовка, в
свою очередь эта точка подсоединена к hub, который связан с цехом CO2 по
кабелю, следовательно, сигнал отправляется в центральный пульт управления.
Операция выполняется и в обратном порядке. В качестве точки доступа ис-
пользуются специальные роутеры (маршрутизаторы) компании D-Link
Точки доступа работают в режиме AccessPoint Client/Wireless Client Mode
(беспроводной клиент) - режим AP Client или Wireless Client позволяет точке
доступа стать беспроводным клиентом другой точки доступа. По существу, в
данном режиме точка доступа выполняет функции беспроводного сетевого
адаптера. Вы можете использовать данный режим для обмена данными между
двумя точками доступа. Обмен данными между беспроводной платой и точ-
кой в режиме Access Point Client / Wireless Client Mode невозможен.
По способу объединения точек доступа в единую систему можно выде-
лить:
- автономные точки доступа (называются также самостоятельные, де-
централизованные, умные);
- точки доступа, работающие под управлением контроллера (называют-
ся также «легковесные», централизованные);
- бесконтроллерные, но не автономные (управляемые без контроллера).
По способу организации и управления радиоканалами можно выделить
беспроводные локальные сети:
- со статическими настройками радиоканалов;
- с динамическими (адаптивными) настройками радиоканалов;
- со «слоистой» или многослойной структурой радиоканалов.
Преимущества Wi-Fi:
- позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить
стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проло-
жить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую
ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями;
- позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам;
- Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется
совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудо-
вания с логотипом Wi-Fi;
- мобильность. Вы больше не привязаны к одному месту и можете поль-
зоваться Интернетом в комфортной для вас обстановке;
- в пределах Wi-Fi зоны в сеть Интернет могут выходить несколько
пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.;
- излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на порядок (в
10 раз) меньше, чем у сотового телефона.
Недостатки Wi-Fi:
- в диапазоне 2,4 GHz работает множество устройств, таких как устрой-
ства, поддерживающие Bluetooth , и др, и дажемикроволновые печи, что ухуд-
шает электромагнитную совместимость;
- производителями оборудования указывается скорость на L1 (OSI), в
результате чего создаётся иллюзия, что производитель оборудования завыша-
ет скорость, но на самом деле в Wi - Fi весьма высоки служебные «накладные
расходы». Получается, что скорость передачи данных на L2 (OSI) в Wi - Fi сети
всегда ниже заявленной скорости на L1 (OSI). Реальная скорость зависит от
доли служебного трафика, которая зависит уже от наличия между устро й-
ствами физических преград (мебель, стены), наличия помех от других беспро-
водных устройств или электронной аппаратуры, расположения устройств от-
носительно друг друга и т.п.;
- частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных
странах не одинаковы. Во многих европейских странах разрешены два допол-
нительных канала, которые запрещены в США. В Японии есть ещё один канал
в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают
использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны,
например Россия , Белоруссия и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi -
Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора;
- стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан
даже при правильной конфигурации (из - за слабой стойкости алгоритма). Но-
вые устройства поддерживают более совершенные протоколы шифрования
данных WPA и WPA2 . Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2 ) в июне 2004
года сделало возможным применение более безопасной схемы связи, которая
доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль,
чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации
используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от
вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является
подбор пароля, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро -
буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора
пароля;
- в режиме точка-точка (Ad-hoc) стандарт предписывает лишь реализо-
вать скорость 11 Мбит/сек (802.11b). Шифрование WPA(2) недоступно, тол ь-
ко легковзламываемый WEP.....