Автоматизированная система мониторинга расхода топлива

На рисунке 2.1 приведена общая схема организации распределённой измерительной системы.

В машинном отделении монтируется датчику уровня и вторичный преобразователь уровня. Датчик уровня размещается в цистерне, причём его чувствительный элемент монтируется в перфорированной трубе. Вторичный преобразователь крепится на специальной металлической площадке, приваренной к стене машинного отделения.

Выход вторичного преобразователя подключается к аналоговому входу микроконтроллера. Для соединения вторичного преобразователя и контроллера используется трехжильный провод. Две жилы - для питания, третья - для передачи токового сигнала.

Датчики оборотов двигателей представляют собой нормально разомкнутые магнитные размыкатели, основанные на эффекте Холла. Датчики крепятся в непосредственной близости от валов двигателей. На валы двигателей, строго напротив датчиков, с помощью клея крепятся магниты.

Выходы датчиков подключаются к дискретным входам контроллера. На каждый датчик подаётся постоянное напряжение питания. Поэтому в обычном состоянии на вход контроллера подступает постоянное напряжения питания 24 В, что соответствует логической единице.

В момент прохождения магнита мимо датчика происходит размыкание питающей цепи, что вызывает падение напряжения на дискретном входе контроллера. Это воспринимается контроллером как смена сигнала из логической единицы на логический ноль, что соответствует одному обороту вала.

Для сигнализации о переполнении топливной цистерны, и также о низком уровне топлива, используются релейные выходы вторичного преобразователя. Через них подключаются световые и звуковые сигнализаторы уровня.

В блоке управления вторичного преобразователя программируются две метки: верхняя и нижняя. При достижении уровня топлива, соответствующего верхней метке, происходит срабатывание первого реле. Аналогично работа организована с нижней меткой.

Выходной сигнал вторичного преобразователя уровня стандартизирован и нормирован. Для токовых сигналов (которые используются во взрывобезопасных приложениях) существует два диапазона нормирования: 0..20 мА или 4..20 мА. Большинство типов промышленного контрольно-измерительного оборудования поддерживает указанные диапазоны сигналов.

Диапазон 0..20 позволяет более точно провести передачу сигнала, поскольку диапазон изменения больше. Нужный диапазон задаётся непосредственно на вторичном преобразователе.

Контроллер производит оцифровку значения тока на аналоговом входе и вычисление уровня топлива.

Данные передаются в компьютер через последовательный порт, где с ними производится дальнейшая обработка. Алгоритмы обработки и структура программного обеспечения будут рассмотрены ниже.

Постоянная связь системы с диспетчерским пультом поддерживается с помощью терминала спутниковой системы Inmarsat. Терминал подключается в ПЭВМ также через последовательный порт. Управление сеансами связи производится программным модулем, работающим на ПЭВМ капитана судна.

Этот программный модуль осуществляет в автоматическом режиме оптравку значения уровня топлива и частот вращения валов двигателей на диспетчерский пульт.

Кроме этого, спутниковый терминал позволяет получать GPS-информацию: координаты судна, скорость, направление движения.

Рисунок 2.1 - Общая схема организации распределённой измерительной системы

Используемый в системе промышленный контроллер поддерживает передачу SMS-сообщений через GSM-модем.

Посредством SMS-сообщений контроллер также может в автоматическом режиме передавать указанные выше данные, не используя спутниковую связь. Использование альтернативного канала позволяет экономить денежные средства, поскольку трафик, проходящий через спутниковую систему значительно дороже, чем трафик через наземные GSM-станции.

Однако, GSM-канал ограничен в использовании, поскольку часть времени судно находится вне покрытия сотовых сетей. Вместе с этим, логика работы программного обеспечения позволяет наладить его эффективную работу, поскольку основной маршрут судна пролегает по реке, вблизи городов. Это позволяет отправлять сообщения при попадании судна в зону действия сотовых сетей и только в случаях, когда судно длительное время находится вне зоны действия сотовых сетей, задействуется спутниковый канал.

GSM-канал позволяет также осуществлять управление системой посредством команд, посылаемых с сотового телефона диспетчера в виде SMS-сообщений. Эта возможность имеет существенные преимущества, поскольку позволяет руководителю транспортной компании в любой момент запрашивать текущую информацию о судне с сотового телефона.

2.2 Структура программного обеспечения распределённой ИИС

Программное обеспечение физически состоит из трёх компонентов: управляющая программа для контроллера, клиентское приложение на ПЭВМ капитана судна и серверное приложение на ПЭВМ диспетчера.

Структура взаимодействия компонентов ПО показана на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Структура программного обеспечения автономной распределённой ИИС

2.3 Линейная аппроксимация градуировочной характеристики

Градуировочная характеристика определяет зависимость между уровнем топлива в цистерне и его объёмом. Данная зависимость задаётся табличным способом. При этом характеристика для груженого состояния судна отличается от характеристики в балластном состоянии. Соответственно, имеется две градуировочные таблицы. Каждая из таблиц содержит по 300 отсчётов уровня. Данные таблицы приведены в приложениях А и Б.

Клиентское приложение массу топлива рассчитывает по таблице, полученной путём усреднения данных из двух указанных таблиц. Полученная таблица имеет существенный объём и не может быть занесена непосредственно в память контроллера целиком. Поэтому была проведена линеаризация градуировочной характеристики линейными регрессионными уравнениями. Поскольку операционная система контроллера не работает с вещественными числами, все данные из таблиц были умножены на 100. полученная характеристика приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Усреднённая градуировочная характеристика

Для проведения линеаризации исходная характеристика была разбита на 9 линейных участков. Это позволяет занести в память контроллера только параметры линейных уравнений, что существенно сокращает объём управляющей программы [3, 4].

Параметры линейных уравнений приведены в таблице.

Таблица 2.1 - Параметры линейных уравнений

Как видно из таблицы, наибольшая погрешность аппроксимации существует на первом участке. По графику видно, что на данном участке кривая существенно не линейна. Это и объясняет такое значение погрешности. Однако этот факт не является существенным недостатком, поскольку данный участок достаточно мал и соответствует довольно низким уровням топлива, которые редко достигаются на практике.

На рисунке 2.4 показана расчётная градуировочная характеристика, полученная при помощи описанных выше уравнений.

Рисунок 2.4 - Расчётная градуировочная характеристика

На рисунке 2.5 приведён график абсолютной погрешности аппроксимации для всех табличных значений.

Рисунок 2.5 - Абсолютная погрешность аппроксимации

На рисунке 2.6 приведён график относительной погрешности аппроксимации для всех табличных значений.

Рисунок 2.6 - Относительная погрешность аппроксимации

Достигнутые значения погрешностей являются приемлемыми при данных условиях. Кроме этого, значения объёма, полученные с помощью указанных уравнений, являются приблизительными. Точные значения по полным градуировочным таблицам вычисляются в программном модуле диспетчера [5].

2.4 Структура управляющей программы микроконтроллера

Управляющая программа микроконтроллера разработана в редакторе Ladder, входящего в комплект поставки микроконтроллера.

Программа выполняется циклически, длительность цикла составляет 0,01 с. Алгоритм работы состоит из следующих этапов.

Линеаризация аналогового сигнала с датчика уровня. На этом этапе определяется значение уровня в сантиметрах из соотношения: 20 мА соответствует максимальному уровню 5метров. Операционная система имеет встроенную функцию линеаризации, которая доступна через системные переменные. Для этого операнды записываются в ячейки памяти, SI80-SI83, после чего для активизации функции устанавливается системный бит SB80. Соответствующий фрагмент программы представлен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.7 - Фрагмент программы, выполняющий линеаризацию

Вычисление объёма и массы топлива по его уровню. Производится с помощью совокупности линейных уравнений, описанных выше. После получения значения уровня производится выбор соответствующего уравнения. На рисунке 2.8 показан фрагмент программы, в котором производится вычисление объёма топлива в цистерне.

Рисунок 2.8 - Фрагмент программы вычисления объёма топлива в цистерне

Масса топлива рассчитывается путём умножения объёма на коэффициент преобразования, который равен 0,84 тонн/кубометр.

Алгоритм работы программы вычисления объёма и массы топлива приведён на рисунке 2.9.

Вычисление частоты вращения валов двигателей. Контроллер осуществляет подсчёт количества импульсов, поступающих на цифровые входы №8 и №9 за единицу времени, после чего производится пересчёт полученного значения в значение с размерностью . Измерение интервала времени производится с помощью встроенного таймера. Отсчёт оборота производится по первому срезу входного импульса.

Фрагмент программы, иллюстрирующий вычисление частоты представлен на рисунке 2.10.

Рисунок 2.9 - Алгоритм работы программы вычисления объёма и массы топлива

Рисунок 2.10 - Фрагмент программы вычисления частоты вращения валов

Схема алгоритма программы подсчёта импульсов и вычисления частоты вращения валов представлена на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Схема алгоритма программы подсчёта импульсов и вычисления частоты вращения валов

2.5 Конфигурирование DDE-сервера UniDDE

Для реализации возможности обмена данными между контроллером и компьютером фирмой Unitronics разработано специальное программное обеспечение - DDE-сервер. С помощью данного ПО различные приложения могут производить обмен данными с контроллером.

Работа сервера организована следующим образом. В оперативной памяти ПЭВМ сохраняются копии значений внутренних переменных контроллера. Сервер по своему протоколу через последовательный порт производит синхронизацию и обновление данных через заданный интервал времени. Всем внешним приложения доступны сохранённые копии значений переменных через DDE-канал.

Для начала работы сервера и организации связи с контроллером, необходимо задать ряд параметров. Диалоговое окно сервера UniDDE, в котором показаны все введённые параметры, показано на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 - Диалоговое окно задания параметров сервера UniDDE

После того, как указаны все необходимые параметры, в основном окне сервера появится строка, отображающая список наблюдаемых переменных, вид которой представлен на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 - Окно сервера UniDDE со списком отображаемых переменных

Теперь сервер готов к использованию. Для начала работы необходимо запустить сервер нажатием на кнопку «Run».

2.6 Разработка клиентского приложения

Клиентское приложение устанавливается на ПЭВМ капитана судна и производит приём и обработку информации, поступающей от контроллера.

Оно содержит также модуль для работы с терминалом спутниковой системы Inmarsat.

Вид главного окна приложения приведён на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 - Главное окно клиентского приложения

В режиме реального времени в главном окне отображаются частоты вращения левого и правого валов, что необходимо капитану для управления судном.

Уровень топлива в сантиметрах считывается напрямую из памяти контроллера посредством DDE-сервера.

Для вычисления объёма топлива используется усреднённая тарировочная таблица, полученная путём усреднения таблиц для гружёного и балластного состояний. Масса топлива вычисляется в соответствии с заданным коэффициентом пересчёта объёма в массу. Обычно его значение равно 0,84.

В окне имеется тестовое поле для отправки сообщений диспетчеру. Уровень сигнала спутников отображается в реальном времени с помощью соответствующего индикатора.

В режиме реального времени в окне отображается информация о текущем местонахождении судна. Эта же информация в автоматическом режиме отправляется диспетчеру.

2.7 Разработка серверного приложения

Для серверного приложения, установленного на ПЭВМ диспетчера, выбран модифицированный MDI-стиль интерфейса. Особенность заключается в том, одновременно в главном окне может создаваться множество дочерних форм, однако в каждый момент времени видня только одна. Переход между дочерними формами осуществляется нажатиями на кнопки «Вперёд» и «Назад». Стиль панели инструментов выбран по типу приложения Internet Explorer.

При запуске приложения автоматически отображается окно с сообщениями, пришедшими от судов за сегодняшний день. Вид окна приведён на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 - Окно с сообщениями от экипажа судна «Волгонефть-53»

С помощью элементов интерфейса можно задать период, за который требуется отобразить сообщения с судов.

Аналогичным образом выводится информация с датчиков. Вид окна с данной информацией показан на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 - Окно приложения с информацией от датчиков судна

Для обновления отображаемой информации служит кнопка «Обновить» на панели инструментов.

При нажатии на кнопку «Домой» произойдёт переход к окну, отображающему информацию о сообщениях с судов за сегодняшний день.

При нажатии на ссылку «Сообщения» будут отображены все сообщения, пришедшие и отправленные за сегодняшний день.

Вид окна представлен на рисунке 2.17.

Рисунок 2.17 - Окно приложения с информацией от датчиков судна

2.8 Организация взаимодействия с базой данных

Для организации доступа к базе данных используется встроенный в операционную систему Windows провайдер баз данных Microsoft.Jet.OLEDB.4.0.

Такой подход позволяет отказаться от дополнительного приобретения СУБД других производителей, что в свою очередь снижает себестоимость и размер рассматриваемого пакета программ.

Для организации доступа к данным построена цепочка посредников, схема которой показана на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18 - Структура взаимодействия с базой данных

Применение показанной схемы имеет ряд преимуществ. Приведём основные из них.

Во-первых, система становится легко масштабируема. При подключении к системе новых судов достаточно дополнить структурированный файл данных новыми таблицами и внести дополнительные данные в справочник судов.

Во-вторых, в случае смены провайдера баз данных достаточно внести незначительные изменения в параметры конфигурации компонента связи ADOConnection. Внутреннюю структуру программы менять не нужно.

В третьих, такая структура проста, компактна и обладает достаточным быстродействием даже на ПЭВМ с низкими аппаратными характеристиками.

2.9 Разработка программы автоматического обновления базы данных

Программа автоматического обновления базы данных устанавливается на сервере диспетчера. Сообщения, посылаемые с судна, приходят на электронный почтовый ящик.

Информация о параметрах судна кодируется в виде форматированной строки и размещается в теме письма. Структура строки представлена на рисунке 2.19.

Рисунок 2.19 - Структура форматированной строки с параметрами судна

Как видно из рисунка 2.19, строка представляет собой последовательность информационных полей, разделённых разделителем. Такая структура позволяет достаточно просто произвести декодирование и запись значений полей в базу данных.

Если письмо написано капитаном судна, то в тему письма автоматически подставляется название судна.

При получении письма программа определяет тип письма: служебное или сообщение.

В случае, если это письмо служебное, то производится обработка и запись в базу данных строки, содержащейся в теме письма.

Если письмо содержит текст, написанный экипажем судна, то производится запись тела письма в базу данных.

Если в почтовом ящике обнаружено постороннее письмо, то оно будет удалено.

Программа позволяет задавать наиболее удобный режим обновления базы данных. Вид окна программы представлен на рисунке 2.20.

Рисунок 2.20 - Окно программы обновления базы данных

В ходе обновления базы данных производится вычисление значений объёма и массы топлива в грузу и балласте. Полученные значения также записываются в базу данных.

В нижней части окна размещена таблица, в которой отображается список полученных писем.

В правой части окна размещено поле, в котором ведется лог происходящих событий. Один раз в сутки, около полуночи, содержимое данного поля записывается в файл, а само поле очищается.

3. Технико-экономическое обоснование

3.1 Расчет затрат на зарплату разработчиков системы

Затраты на разработку складываются из:

- расходов по зарплате исполнителей;

- затрат на материалы;

- арендной платы за помещения;

- расходов на отопление, освещение,

- платы машинного времени

- амортизации основных фондов и т. д.

Расходы по заплате исполнителей Зз/п определяются по формуле (3.1):

(3.1)

где Зосн - основная заработная плата работников,

kдоп, kс.ф. - коэффициенты, учитывающие дополнительную заработную плату и отчисления в социальные фонды.

Значения kдоп, kс.ф. можно принимать в размере:

kдоп = 0,08 0,1, берем kдоп =0,9

kс.ф. = 0,39, берем kс.ф. =0,39

Основная заработная плата работников определяется в зависимости от трудоемкости этапов разработки, квалификации исполнителей и уровня их оплаты. Основная заработная плата работников определяется по формуле (4.2).

(3.2)

где m - количество этапов разработки;

n - количество разработчиков, принимающих участие в разработке;

Зijчас - часовая зарплата работника i-ой квалификации на j-ом этапе разработки;

tij - затраты времени в часах i-го разработчика на j-ом этапе.

Программное изделие изготавливают два человека (первый - инженер первой категории, второй - программист). Заработная плата инженера составляет 2000 рублей в месяц, программиста - 2500 рублей в месяц. Определим количество этапов разработки программного изделия, количество исполнителей (один или два), продолжительность каждого этапа в днях и подсчитаем стоимость каждого этапа и общую стоимость всех этапов.

Полученные результаты сведены в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 - Этапы разработки

Страницы: 1, 2, 3, 4