Загрузка...

Разработка графической системы поддержки программирования промышленных с использованием языка Java


1.Тема работы: Разработка графической системы поддержки программирования промышленных с использованием языка Java
утверждена распоряжением от 7.03.2000 № 243
2.Срок сдачи студентом законченной работы: 12 июня 2000 г.

3. Исходные данные к проекту (работе): работать графическую систему поддержки программирования промышленных контроллеров, реализованную на двух аппаратных платформах – инструментальной и целевой. В качестве языка программирования программы управления объектом управления использовать язык Java.

4.Краткое содержание дипломной работы:
4.1. Исследовательской части: Были исследованы требования к языкам программирования промышленных контроллеров и в результате этого анализа был для программирования промышленных контроллеров был выбран язык Java, также был проведен анализ операционных систем реального времени и систем программирования промышленных контроллеров.

4.2. Программной части: была разработана система программирования промышленных контроллеров, состоящая из: программы для инструментальной машины и две программы для целевой машины.

4.3. Экономической части: рассчитаны технико-экономические показатели и эффективность разработки программы. Доказана целесообразность внедрения продукта.

4.4. По охране труда: произведены расчеты освещения и заземления производственного помещения; разработаны технические средства и организационные мероприятия, уменьшающие воздействие на работающих выявленных вредных производственных факторов.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ 8
Введение 9
1. Общие сведения 10
1.1 PC-контроллеры на современном этапе 10
1.2 Языки программирования для промышленных контроллеров 12
1.3 Обзор существующих систем программирования 14
1.3.1 Система ISaGRAF 14
1.3.2 Система ULTRALOGIC 14
1.3.3 Система TRACE MODE 15
1.3.4 Пакет программ Genesis For Windows 15
1.3.5 Итог 16
1.4 Обзор операционных систем реального времени 17
1.4.1 Кратко о системах реального времени 17
1.4.2 Параметры ОС РВ 18
1.4.3 Классы СРВ 20
1.4.4 Windows CE 23
1.4.4.1Windows CE и реальное время 26
1.4.4.2Расширения Windows CE для жесткого РВ 27
1.4.4 QNX 28
1.5 Современное состояние теории сетей Петри 30
1.5.1 Классическая сеть Петри 30
1.5.2 Иерархическое представление сетей Петри 32
1.6 Подход к выбору языка программирования промышленных контроллеров 32
2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ НА БАЗЕ СЕТЕЙ ПЕТРИ И ЯЗЫКА JAVA 35
2.1 Предварительный анализ 35
2.2 Обоснование выбора методологии и языка программирования 36
2.3 Структура системы 40
2.3.1 Программа PetryNet.exe 40
2.3.1.1 Главный модуль 40
2.3.1.2 Модуль редактирования атрибутов вершины 40
2.3.1.3 Модуль описания переменных программы 41
2.3.1.4 Модуль компиляции 41
2.3.1.4.1 Обоснование метода компиляции 41
2.3.1.5 Модуль сетевого взаимодействия 43
2.3.2 Программа NetManager.exe 44
2.3.3 Программа Programm.java 44
3. Организационно–экономическая часть 46
3.1 Общие положения 46
3.2 Расчет затрат на проектирование и внедрение ПС 48
3.2.1 Расчет капитальных вложений на проектирование 49
3.2.2 Затраты на материалы 49
3.2.3 Затраты на оплату труда 50
3.2.4 Затраты на отладку программы 50
3.2.5 Общая величина капитальных вложений на реализацию проекта 52
3.2.6 Расчет эксплутационных затрат 53
3.3 Определение экономической эффективности от внедрения программы 54
3.3.1 Расчет экономии за счет снижения трудоемкости решения задачи 55
3.3.2 Определение годового экономического эффекта 55
3.3.3 Расчет экономической эффективности 56
4. Охрана труда и окружающей среды 57
4.1 Анализ условий труда 57
4.2 Производственная санитария и гигиена труда 57
4.2.1 Освещение производственного помещения 57
4.2.2 Оздоровление воздушной среды 61
4.2.3 Защита от шума 61
4.2.4 Защита от электромагнитных полей и статического электричества 61
4.2.5 Защита от ионизирующих излучений 62
4.3 Техника безопасности 63
4.3.1 Электробезопасность 63
4.4 Организационные мероприятия 66
4.4.1 Вводный инструктаж 66
4.4.2 Первичный инструктаж на рабочем месте 67
4.4.3 Повторный инструктаж 69
4.4.4 Внеплановый инструктаж 69
4.4.5 Целевой инструктаж 70
4.5 Пожарная безопасность 71
Заключение 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 74
Приложение 1 76

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одной из наиболее важных целей, стоящих перед разработчиком современных программных средств, является создание максимально удобных условий для работы пользователя. Эта задача является особенно значимой при разработке программ управления сложными технологическими процессами на производстве.
Существуют модели представления технологических процессов, которые были успешно реализованы для программируемых контроллеров. Однако в связи с появлением в последнее время новых стандартов, множество программных средств, реализующих эти модели, перестали удовлетворять потребностям сегодняшнего дня. Сегодня компьютеризация проникла во все сферы жизнедеятельности человека, в том числе и на производство. Следствием этого, является работа, проделанная в данном дипломном проекте.
Результаты этой работы позволят не только подготовить и отладить модель технологического процесса не выходя из лаборатории, но и увеличат в несколько раз эффективность работы, предотвратят расходы рабочего времени, которые могут быть очень значительными.
Главной целью данного дипломного проекта является разработка и реализация интегрированной системы задания технологического процесса для программируемых контроллеров PC–архитектуры с использованием аппарата сетей Петри, которая должна обеспечивать возможность генерирования программы по введенной сети и возможность динамической имитации ее функционирования.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1 PC-контроллеры на современном этапе
До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном выполняли PLC (Programmable Logic Controller). Среди иностранных контроллеров этого класса наиболее популярными являются PLC фирм Allen-Breadley, Siemens, Modicon, а среди отечественных — ТКМ-51, “Эмикон”. Сейчас, в связи с бурным ростом производства миниатюрных PC-совместимых компьютеров, наметилась тенденция их использования в качестве контроллеров напрямую, связанная с концепцией открытой модульной архитектуры контроллеров — OMAC (Open Modular Architecture Controls). [1]
Основное достоинство PC-контроллеров – их открытость, т.е. возможность пользователей АСУТП применять в своих системах самое современное оборудование, только появившееся на мировом рынке, причем у них есть уникальная возможность очень широкого выбора, поскольку оборудование для PC-контроллеров сейчас выпускают сотни производителей. Это очень важно, поскольку модернизация АСУТП идет сейчас поэтапно и занимает длительное время, иногда несколько лет. Пользователь АСУТП уже не находится во власти одного производителя (как в случае с PLC), который навязывает ему свою волю и заставляет применять только его технические решения, а сам (или через своего системного интегратора) делает выбор, используя технические решения, в данный момент подходящие ему больше всего. Пользователи могут теперь применять в системах продукцию разных фирм, отслеживая лишь соответствие определенным международным или региональным стандартам.
Другое важное достоинство PC-контроллеров заключается в том, что из-за своей однородности с компьютерами верхнего уровня они не требуют дополнительных затрат на подготовку специалистов по эксплуатации. Эту работу способны с успехом выполнять специалисты, обеспечивающие эксплуатацию компьютеров верхнего уровня, что сокращает сроки внедрения и упрощает их функционирование, в конечном счете снижаются затраты на создание АСУТП.
Более высокая надежность — еще одно достоинство PC-контроллеров. Обычно надежность контроллеров рассматривается в двух аспектах: физическом и программном, при этом под физической надежностью понимается способность аппаратуры устойчиво функционировать в условиях промышленного цеха и противостоять вредному воздействию на него окружающей среды, а под программной — способность программного обеспечения устойчиво работать при возникновении критичных по времени ситуаций. Физическую надежность PLC и PC-контроллеров можно считать одинаковыми. Большинство производителей PC-контроллеров выпускают свою продукцию с ориентацией на работу в тяжелых условиях и обеспечивают поддержку расширенного диапазона температур, а также защиту от пыли, влаги, ударов, вибрации и электромагнитных излучений. Программная надежность определяется отлаженностью компонент, входящих в состав ПО контроллера. Поскольку в PC-контроллерах могут использоваться коммерческие операционные системы и прикладные пакеты с высокой степенью отлаженности, обусловленной их широким применением (сотни тысяч), то можно ожидать, что программная, а следовательно, и общая надежность PC-контроллеров будут выше надежности PLC.
Другие преимущества PC-контроллеров:
– быстродействие: современный процессор Pentium превосходит быстродействие PLC более чем в 20 раз;
– дешевизна: при равных характеристиках (функциональных и конструктивных) PC-контроллеры на 20…30% дешевле PLC;
– объем ОЗУ: PC предоставляют больше памяти — как оперативной, так и энергонезависимой;
– чрезвычайно широкая номенклатура плат ввода-вывода;
– наличие стандартизованных интерфейсов (ISA, PCI, CompactPCI и т.д.);
– наличие стандартизованных промышленных протоколов взаимодействия между контроллерами (Bitbus, CAN, II/O Lightbus), поддерживаемых международными и региональными организациями по стандартизации;
– наличие стандартизованных сетевых средств (Ethernet, Arcnet, Token Ring и т.д.) и сетевых протоколов (TCP/IP, IPX/SPX, Netbios и т.д.) для взаимодействия с компьютерами верхнего уровня;
– разнообразие инструментальных средств программирования для разработки ПО контроллеров (ISaGRAF, CoDeSys и др.).
Одним из примеров PC совместимых контроллеров являются контроллеры MicroPC фирмы Octagon Systems [2]. Изделия серии MicroPC полностью совместимы с архитектурой PC и лежащей в ее основе шины ISA и в связи с этим позволяют проводить почти всю разработку и отладку программ на обычном персональном компьютере, установив в него платы ввода/вывода, а затем переносить готовое программное обеспечение в контроллер, где в ПЗУ уже находится ядро операционной системы.
1.2 Языки программирования для промышленных контроллеров
Специфика работы с контроллерами по сравнению с обычными компьютерами состоит не только в ориентации на работу с платами ввода-вывода, но и в преимущественном использовании языков технологического программирования.
Так в начале широкого применения промышленных контроллеров для создания программы требовались кроме хорошего программиста также и электронщик и технолог, досконально знающий автоматизируемый процесс. Затраты времени и средств на эту работу, как правило, находились в прямой зависимости от способностей программиста. Главным недостатком подобного подхода являлось то, что программист оставался единственным человеком, способным в дальнейшем сопровождать полученную программу. В поисках выхода из такой зависимости стали создаваться языки технологического программирования, доступные технологам. В результате появилось огромное множество подобных языков (например язык релейно-контактных схем, функциональных блоков и другие, теоретические основы которых взяты из методов автоматического управления), которые были совершенно несовместимы друг с другом.
Для выхода из создавшейся тупиковой ситуации в 1992 г. был разработан международный стандарт IEC 1131-3, в котором определено пять языков программирования:
1) Sequental Function Chart (SFC) – язык последовательных функциональных блоков – находится над всеми остальными и дает возможность описать логику программы на уровне чередующихся функциональных блоков и условных переходов;
2) Function Block Diagram (FBD) – язык функциональных блоковых диаграмм – позволяет строить сложную комплексную процедуру из элементарных библиотечных блоков;
3) Ladder Diagrams (LD) – язык релейных диаграмм – используется для описания различных логических выражений и реализует такие элементы, как открытый и закрытый контакты, виток. Кроме того, реализованы функции и функциональные блоки;
4) Structured Text (ST) – язык структурированного текста – относится к классу языков высокого уровня и по мнемонике похож на Pascal.
5) Instruction List (IL) – язык инструкций – принадлежит к классу языков низкого уровня и позволяет создавать высокоэффективные функции. Его имеет смысл применять для написания наиболее критичных мест.
Важно отметить, что использование данного стандарта соответствует концепции открытых систем, а именно: делает программу для контроллера некритичной к конкретному оборудованию. Программа в стандарте IEC не зависит от типа процессора, ОС и конкретных плат ввода-вывода. В настоящее время десятки фирм обеспечивают поддержку этого стандарта.
1.3 Обзор существующих систем программирования
1.3.1 Система ISaGRAF
Одной из наиболее известных систем, базирующихся на стандарте IEC 1131-3 является система ISaGRAF фирмы CI International. Данный пакет состоит из двух основных частей: системы разработки (WorkBench) и системы исполнения (Target). Система разработки используется для создания, моделирования, тестирования и документирования прикладных программ, работающих под управлением ядра ISaGRAF на системах исполнения, которые загружаются либо прожигаются а ПЗУ. Основными достоинствами ISaGRAF являются простой, понятный для технолога графический интерфейс; встроенные средства отладки, моделирования и тестирования, поддержки промышленных сетей (Profibus, Modbus).
1.3.2 Система ULTRALOGIC
Другой распространенной системой является система ULTRALOGIC [3], которая предназначена для разработки программ промышленных контроллеров с помощью простых инструментальных средств, используя в качестве языка программирования язык функциональных блоковых диаграмм. В системе применяется метод объектного визуального программирования. Она максимально ориентированна на то, чтобы инженер–специалист в области автоматизации работал с понятным ему технологическим контроллером, не вникая в излишние подробности о внутренних особенностях контроллера. ULTRALOGIC рассматривает контроллер как “черный ящик”, связанный с объектом управления посредством формальных устройств аналогового и дискретного ввода/вывода. Ориентированная на IBM PC совместимые контроллеры, система ULTRALOGIC фактически является независимой по отношению к аппаратной платформе целевого контроллера.
1.3.3 Система TRACE MODE
Еще одной из известных SCADA–систем является система программирования контроллеров MicroPC TRACE MODE фирмы AdAstra Research Group [4]. Она предназначена для разработки крупных распределенных АСУТП широкого назначения. Разработка АСУ в TRACE MODE основана на объектной технологии, во много раз упрощающей создание крупных и сложных систем. TRACE MODE позволяет структурировать прикладной проект путем выделения объектов, имеющих ясный технологический смысл: цех, агрегат, подстанция. В связи с этим разработка АСУ производится в среде визуального проектирования посредством создания, редактирования и тиражирования объектов. В систему встроен технологический язык – Технобейсик, соответствующий международному стандарту IEC 1131–3. Программа имеет открытый коммуникационный интерфейс, поэтому легко настраивается на любые контроллеры, как отечественного, так и зарубежного производства.
1.3.4 Пакет программ Genesis For Windows
Аналогичной по возможностям SCADA–системой является программный пакет Genesis For Windows фирмы Iconics [5]. Модульная структура Genesis For Windows, основанная на принципе “клиент–сервер”, позволяет создавать из отдельных полностью независимых частей пакета именно тот интерфейс оператора, управляющую программу или другое приложение, которое наиболее подходит для решения конкретной задачи. Программирование производится на встроенном макроязыке, созданном на основе макроязыка Visual Basic for Applications фирмы MicroSoft. Пакет содержит драйверы к более чем 250 из производимых в мире контроллеров и систем ввода/вывода.
1.3.5 Итог
Появление стандарта IEC 1131–3 несомненно стало значительной вехой в истории развития систем подготовки программ для промышленных контроллеров. Однако большинство существующих продуктов еще не поддерживают в полной мере требования данного стандарта. Так например пакеты Genesis For Windows ориентирован на язык Visual Basic, который значительно отступает от требований стандарта. Система ULTRALOGIC хотя и придерживается требований стандарта, но фактически предоставляет возможность использовать только один из стандартизованных языков ( FBD ).
Таким образом, в связи с появлением стандарта Международной Электротехнической Комиссии возникла потребность в системах, опирающихся на его требования. Системы подготовки программ, поставляемые вместе с конкретными контроллерами их предприятиями–изготовителями в значительной мере не отвечают стандарту. Из рассмотренных выше наиболее известных систем наиболее привлекательной, несмотря не некоторые недостатки выглядит система ULTRALOGIC.
Преимущества предоставляемые PC–контроллерами по сравнению с PLC в большинстве приложений очевидны и в последнее время все более остро ощущается необходимость в универсальной системе подготовки программ для этих контроллеров, соответствующей стандарту на языки программирования для систем автоматизации технологических процессов. Пока это не произойдет, пользователи будут ограничены в выборе аппаратной части для своей систему АСУТП поддержкой имеющейся у них системы подготовки программ.

Загрузка...