Разработка SCADA-системы управления электронной нагрузкой

Аннотация

В данной статье описывается автоматизированная система управления электронной нагрузкой. Особенностью данной системы является объединение инструментальных средств, предназначенных для научных исследований с технологиями промышленной автоматики.

Полный текст

Проведение натурных исследований всегда связано с большим количеством экспериментов. Что в свою очередь повышает его сложность и вероятность ошибки исследователя. Это обусловливает актуальность работы. Решение задачи автоматизации эксперимента можно разделить на несколько частей: аппаратная, программная и интерфейс взаимодействия между ними.

Объектом автоматизации является контрольно-измерительный прибор электронная нагрузка Актаком AEL-8320. Электронная нагрузка – это электронный прибор, предназначенный для имитации различных режимов работы нагрузки при исследовании источников питания [2].

Для ее управления предусмотрена лицевая панель, располагающаяся на корпусе, а также интерфейс RS-232 для удаленного автоматизированного управления прибором.

В составе электронной нагрузки присутствуют стабилизатор, измеритель параметров протекающего тока и напряжения и ряд других вспомогательных узлов. Стабилизатор обеспечивает различные режимы работы нагрузки (стабилизация тока, напряжения, мощности или сопротивления). Измеритель тока и напряжения предназначен для определения текущих значений тока и напряжения и, соответственно, мощности и сопротивления. Полученные значения могут быть выведены на индикатор или переданы в управляющее устройство.

Основной областью применения электронных нагрузок является тестирование источников вторичного и частично первичных источников электропитания. Электронные нагрузки могут эмулировать работу в различных режимах, позволяют проводить необходимые измерения параметров. Благодаря возможности программирования они могут работать по заданному закону, переходить из одного режима работы в другой, могут управляться и программироваться от персонального компьютера, а также выполнять множество других функций. Основные режимы работы электронной нагрузки представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Режимы работы электронной нагрузки

Режимы работы нагрузки:

• СС – режим постоянного тока;
• CV – режим постоянного напряжения;
• CR – режим постоянного сопротивления;
• CP – режим постоянной мощности.

Для управления электронной нагрузкой c помощью ЭВМ используются SCPI команды. SCPI – язык команд, предназначенный для работы с диагностическими и измерительными устройствами с использованием ASCII символов [3]. Указанный протокол накладывается поверх интерфейса RS232.

Команда SCPI состоит в общем случае из 3-х элементов:

• заголовок;
• параметр (если требуется);
• разделитель команд или признак конца команды.

Пример scpi-команд:

syst:rem – переход в режим дистанционного управления;

mode crm – переход в режим постоянного сопротивления;

input on – активация входов;

res 100 – установить сопротивление 100 Ом.

В промышленной автоматизации существуют специальные пакеты программ – SCADA-системы, которые позволяют автоматизировать действия оператора, а также минимизировать количество ошибок, вызванных человеческим фактором. Поэтому перспективным видится в использовании такой системы. При этом в SCADA-системах, как правило, есть механизмы работы с интерфейсом RS-232, но протокол SCPI в основном применяют для научных исследований и в SCADA-пакетах отсутствует.

Разработка SCADA-системы (Система) выполнялась в отечественном инструментальном программном комплексе Trace Mode 6 (ТМ6).

Trace Mode напрямую не поддерживает SCPI-протокол, но в ней возможно создание своих произвольных протоколов. Для реализации протокола были использованы механизмы: COM-порт с назначением «Host Variant», канал CALL.Vector (обмен по произвольному протоколу по RS-232), пользовательские драйверы из группы «TYPE11» [4].

Одним из ключевых моментов при использовании произвольных протоколов является кодирование формата команды, которое указывается в свойствах в поле «дополнительно» пользовательского драйвера. Первая команда, которая должна отправляться в прибор – «syst:rem» – переход в режим дистанционного управления нагрузкой. Формат и кодировка показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – Окно настройки пользовательского драйвера

Где:

поле «дополнительно» – «SENDCMD=737973743A72656D0D0A; BYTESREAD=0;CRCNO;»;

 «SENDCMD=737973743A72656D» – команда «syst:rem», выраженная в шестнадцатеричных ASCII-символах;

«0D0A» – признак конца команды (символы «CR» и «LF»);

«BYTESREAD=0» – опция для однократной отправки сообщения;

«CRCNO» – опция «не формировать контрольную сумму».

После привязки пользовательского драйвера к каналу CALL.Vector поле «дополнительно» отображается в канале через атрибут «MF». Таким образом, для отправки остальных команд необходимо перевести ее в ASCII-символы, дописать необходимые опции и полученную строку записать в атрибут «MF» канала CALL.

Для конвертации и конкатенации команд была разработана программа в среде Trace Mode на языке ST. Блок-схема программы представлена на рисунке 3. Программа начинает свою работу после выбора режима работы электронной нагрузки (CV, CC, CR или CP) и выбора значения управляемого параметра.

Далее это значение параметра разделяется на отдельные цифры в блоках «Разбиение на цифры целой части» и «Разбиение на цифры дробной части», чтобы потом эти цифры преобразовать в шестнадцатеричные ASCII символы. Из этих символов формируются SCPI команды. Затем эти команды добавляются в единую строку и отправляются в нагрузку. В блоке «Установка значения» выполняется установка значения. В блоке «Установка режима» устанавливается режим работы нагрузки. В блоке «Включение терминалов входа» происходит включение\выключение терминалов входа.

Для осуществления автоматизированного управления и мониторинга параметров электронной нагрузки оператором необходим интуитивно понятный графический пользовательский интерфейс. Пример разработанного графического интерфейса представлен на рисунке 4.

Таким образом, оператор через пользовательский интерфейс задает режим работы и параметры электронной нагрузки, затем Trace Mode вызывает программу, которая формирует команду и через канал CALL.Vector передает в пользовательский драйвер, который через com-порт отправляет команду в прибор. Ответ от прибора не предусмотрен.

Рисунок 3 – Блок-схема основной программы

Рисунок 4 – Графический интерфейс SCADA

В ходе выполнения работы была реализована автоматизированная система управления и мониторинга электронной нагрузкой. Результатами применения системы будут: повышение удобства проверки различных блоков питания, повышение безопасности объекта автоматизации, энергетическая эффективность, гибкость управления.