ГЛАВА 3.ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ СИСТЕМЫ

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

ОБНИНСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

 

Курсовой проект

на тему:

«Разработка локально-измерительной системы с использованием микроконтроллера ATmega128»

Вариант 8

 

Выполнил:     студент гр. ЭиА-С13       ____________________ подпись, дата   В.А.Легчилин
  Принял: Ст.преп. ЯФиТ (О)   ____________________ подпись, дата   А.В.Руденко

 

 

г. Обнинск, 2018 г.


 


ВВЕДЕНИЕ

Условно модель любой целесообразной деятельности можно представить как систему, состоящую из объекта (управления, трансформации и т.п.) и некоторой воздействующей на него системы - системы управления (СУ). Система управления может быть полностью автоматической (т.е. взаимодействовать с объектом без участия человека), неавтоматизированной (т.е. не имеющей в составе компьтер) или автоматизированной (т.е. содержащей как людей, так и компьютеры).

Автоматизированная система управления (АСУ) - совокупность математических методов, технических средств и организационных комплексов, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом или процессом в соответствии с заданной целью, а так же коллектив людей объединенных общей целью.

В составе АСУ выделяют:

- основную часть, в которую входят информационное, техническое и математическое обеспечение; 

- функциональную часть, к которой относятся взаимосвязанные программы, автоматизирующие конкретные функции управления.

Системы делятся на примитивные элементарные (для них строятся автоматические системы управления) и большие сложные.

Как уже выше было отмечено, АСУ предназначена для автоматизированной обработки информации и частичной подготовки управленческих решений с целью увеличения эффективности деятельности специалистов и руководителей за счет повышения уровня оперативности и обоснованности принимаемых решений.

Различают два основных типа таких систем: системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и системы организационного управления (АСОУ). Их главные отличия заключаются в характере объекта управления (в первом случае – это технические объекты: машины, аппараты, устройства, во втором – объекты экономической или социальной природы, то есть, в конеч


ном счете коллективы людей) и, как следствие, в формах передачи информации (сигналы различной физической природы и документы соответственно).

Следует отметить, что наряду с автоматизированными существуют и системы автоматического управления (САУ). Такие системы после наладки могут некоторое время функционировать без участия человека.

САУ применяются только для управления техническими объектами или отдельными технологическими процессами. Системы же организационного управления, как следует из их описания, не могут в принципе быть полностью автоматическими. Люди в таких системах осуществляют постановку и корректировку целей и критериев управления, структурную адаптацию системы в случае необходимости, выбор окончательного решения и придание ему юридической силы.

Самостоятельное значение имеют автоматизированные системы диспетчерского управления, предназначенные для управления сложными человеко-машинными системами в реальном масштабе времени. К ним относятся системы диспетчерского управления в энергосистемах, на железнодорожном и воздушном транспорте, в химическом производстве и другие. В системах диспетчерского управления (и некоторых других типах АСУ) используются подсистемы автоматизированного контроля оборудования. Задачами этой подсистемы является измерение и фиксация значений параметров, характеризующих состояние контролируемого оборудования, а сравнение этих значений с заданными границами и информирование об отклонениях.

Отдельный класс АСУ составляют системы управления подвижными объектами, такими как поезда, суда, самолеты, космические аппараты и АС управления системами вооружения.

Так как большие и сложные системы обладают свойством необозримости, то их можно рассматривать с нескольких точек зрения. Следовательно, классификационных признаков тоже много.

Основные принципы.

Разработка АСУ, порядок их создания и направления эффективного ис-


 

пользования базируются на следующих принципах (впервые сформулиро-ванных В. М. Глушковым).

- Принцип новых задач. АСУ должны обеспечивать решение качественно новых управленческих проблем, а не механизировать приёмы управления, реализуемые неавтоматизированными методами. На практике это приводит к необходимости решения многовариантных оптимизационных задач на базе экономико-математических моделей большого объёма (масштаба). Конкретный состав подобных задач зависит от характера управляемого объекта.

- Принцип системного подхода к проектированию АСУ. Проектирование АСУ должно основываться на системном анализе как объекта, так и процессов управления им. Это означает необходимость определения целей и критериев эффективности функционирования объекта (вместе с системой управления), анализа структуры процесса управления, вскрывающего весь комплекс вопросов, которые необходимо решить для того, чтобы проектируемая система наилучшим образом соответствовала установленным целям и критериям. Этот комплекс охватывает вопросы не только технического, но также экономического и организационного характера. Поэтому внедрение АСУ даёт принципиально новые возможности для коренного усовершенствования системы экономических показателей и экономического стимулирования.

- Принцип непрерывного развития системы. Основные идеи построения, структура и конкретные решения АСУ должны позволять относительно просто настраивать систему на решение задач, возникающих уже в процессе эксплуатации АСУ в результате подключения новых участков управляемого объекта, расширения и модернизации технических средств системы, её информационно-математического обеспечения и т.д. Математическое обеспечение АСУ строится таким образом, чтобы в случае необходимости можно было легко менять не только отдельные программы, но и критерии, по которым ведётся управление.

- Принцип единства информационной базы. На машинных носителях информации накапливается (и постоянно обновляется) информация, необходи-


мая для решения не какой-то одной или нескольких задач, а всех задач управления. При этом в т. н. основных (генеральных) массивах исключается неоправданное дублирование информации, которое неизбежно возникает, если первичные информационные массивы создаются для каждой задачи отдельно. Основные массивы образуют информационную модель объекта управления.

- Принцип комплексности задач и рабочих программ. Большинство процессов управления взаимосвязаны и поэтому не могут быть сведены к простому независимому набору отдельных задач. Раздельное решение задач планирования и материально-технического снабжения может значительно снизить эффективность АСУ. Принцип комплексности задач и рабочих программ характерен практически для всех классов автоматизированных систем обработки данных (проектирования, испытаний и др.).

- Принцип согласования пропускной способности различных звеньев системы. Скорость обработки данных в различных сопряжённых контурах системы должна быть согласована таким образом, чтобы избежать информационных заторов (когда возникает объективная возможность потери данных) или больших информационных пробелов (приводящих к неэффективному использованию некоторых элементов АСУ).

- Принцип типовости. Разрабатывая технический комплекс, системное математическое обеспечение, рабочие программы и связанные с ними формы и состав информационных массивов, исполнитель обязан стремиться к тому, чтобы предлагаемые им решения подходили возможно более широкому кругу заказчиков. Необходимо в каждом случае определять разумную степень типизации, при которой стремление к широкому охвату потребителей не приведёт к существенному усложнению типовых решений. Типизация решений способствует концентрации сил, что необходимо для создания комплексных АСУ.

В зависимости от целевого назначения АСУ можно разделить на два больших класса: АСУ объектами, предусматривающие управление объектом в целом (по всем функциям), и функциональные АСУ, обеспечивающие автоматизацию той или иной функции управления для широкого класса объектов.


Наиболее важная цель построения всякой АСУ - резкое повышение эффективности управления объектом (производственным, административным и т.д.) на основе роста производительности управленческого труда и совершенствования методов планирования и гибкого регулирования управляемого процесса.

Целью данной работы являетсясоздать автоматическую систему контроля температуры, давления и расхода на основе микроконтроллера Atmega128.



ГЛАВА 1.Технические требования.

 

1.1 Общие требования к системе.

 

Разрабатываемая система должна выполнять следующие функции:

1) производить автоматический контроль и поддержание в заданном диапазоне параметров среды: температура, давление, расход;

2) для регулирования расхода и/или давления использовать релейный регулятор (+12 В) с контролем положения при помощи концевых выключателей (+12В);

3) для регулирования температуры использовать регулятор с тиристорным управлением и воздушным (вентиляторным) охлаждением (+12 В);

4) выдавать по запросу оператора на экран ПК (программа Гипертерминал) номер измеряемого параметра, его величину и разницу между измеряемым параметром и величиной уставки;

5) выдавать на местный пульт управления (дисплей ЖКИ) с помощьюкнопок вперёд/назад - номер измеряемого параметра, его величинуи разницу между измеряемым параметром и величиной уставки;

6) осуществлять ввод с клавиатуры ПК уставок для измеряемых параметров;

7) выдавать предупредительные и аварийные световые и звуковые сигналы (+12 В) при выходе величины контролируемого параметра за заданные пределы (уставки) на экран ПК и/или местный пульт управления.

В таблице 1 приведены требования к проектируемой информационно-измерительной системе.

 

 


Таблица 1 – Исходные требования к ИИС

Параметр Диапазон Номинальные значения Уставки, % Максимальная скорость изменения параметра, Ед. в сек. Количество датчиков
Давление кг/м2 1-20 15 5 40 1
Расход м3/час 1-15 10 1 30 1
Температура 1, °С 150-250 200 2 25 2
Температура 2, °С -15 – +100 50 1 15 2

Приведенная погрешность измерения 0,3 %

Связь с ПК через RS485

Привязка ко времени M41T56 (I2C)

1.2 Расчёт системных параметров информационно-измерительной системы

1) Распределение (декомпозиция) погрешностей.

Для исключения потери информации при прохождении сигнала по каналу должно выполняться условие:

 

 ,                                                              

 

где  – погрешность датчика,  – погрешность коммутатора,  -- погрешность устройства выборки-хранения,  – погрешность АЦП.

Значения указанных погрешностей, как правило, выбираются из паспортных или справочных данных.

Суммарная среднеквадратическая погрешность оценивается выра­жением:

 

 ,                                       

 

где  – суммарная среднеквадратичная погрешность системы (канала).


Также должно соблюдаться условие , где  – требуемая приведённая погрешность измерения.

Необходимая разрядность АЦП  определяется выражением:

 

                                                                       

 

По заданию требуется разработать 6-канальную ИИС, обеспечивающую приведенную погрешность измерения .

В соответствии с условиями (1), (2) были выбраны датчики. Максималь-

ная погрешность для выбранных датчиков составляет . Тогда, из выражения (2) получаем:

 

     

 

Современные АЦП в интегральном исполнении включают в себя, в том числе, и коммутатор, и устройство выборки-хранения. Тогда можно записать:

                              

 

где  – погрешность интегрального АЦП.

Откуда, в соответствии с выражением (3):

 


2) Определение временных (динамических) параметров.

Согласно теореме Котельникова интервал дискретизации  сигнала не должен превышать:

 

,                                                                             

 

где – полоса пропускания датчика.

Так как число датчиков равно n, длительность измерения по одному каналуне должна превышать значения:

 

                                                                        

 

Длительность  включает длительности переключения коммутатора , длительности выборки УВХ , длительности аналого-цифрового преобразования и длительности ввода информации в ЭВМ :

 

                                  

 

Под длительностью выборки здесь понимается время заряда запоминающей емкости (время установления) УВХ. Таким образом, суммарное быстродействие канала должно быть следующее:

 

                             

 

Для рассматриваемой 6-канальной системы с максимальной частотой пропускания датчиков

 

   


Так как АЦП в интегральном исполнении включают в себя, в том числе, и коммутатор, и устройство выборки-хранения, то можно записать:

 

В данном проекте будем использовать 8-канальный 12-разрядный АЦП MCP3208. Время оцифровки данного АЦП определяется выражением:

 

 ,               

 

где  – частота синхронизирующего сигнала интерфейса SPI,  – тактовая частота процессора МК,  – предделитель тактовой частоты.

В соответствии с техническими характеристиками микросхемы:

 

 

Тогда, при максимальной частоте обмена:

 

Следовательно, длительность ввода информации в ПЭВМ не должна превышать:

 


Необходимая скорость передачи данных через входной интерфейс ЭВМ составит:

 

 

Для связи с ПК посредством интерфейса RS-232 или RS-485 данная скорость вполне допустима. Однако, при меньшей частоте обмена данных по шине SPI рекомендуется использовать буферную память.

Для проектируемой системы:

- скорость обращения к датчикам давления – 25мс,40 Гц;

- скорость обращения к датчикам расхода – 33,33мс, 30 Гц;

- скорость обращения к датчикам высоких температур – 20мс, 50 Гц;

-  скорость обращения к датчикам низких температур – 33,33 мс,30 Гц.

 


ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ

Структурная схема проекта

 

На рисунке 1 представлена общая структурная схема реализации проекта.

 

 

Рисунок 1 – Структурная схема реализации контрольно-измерительной системы

 

Сигналы от блока аналоговых датчиков, включающего датчики давления, расхода и температуры, будут поступать через нормирующий преобразователь на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП через последовательный периферийный интерфейс (SPI)передаёт результат измерения в цифровой форме  микроконтроллеру (МК). МК обрабатывает полученные результаты и при определённых условиях генерирует сигналы управления исполнительными механизмами (ИМ). Оператор имеет возможность через терминал– персональный компьютер (ПК) –задавать значения уставок и получать информацию о значении того или иного параметра. Местный пульт управления, выполненный на основе жидкокристаллического индикатора (ЖКИ), также позволяет


оператору ознакомиться со значениями параметров в текущий момент времени.Для оповещения оператора о выходе значения параметра за установленный диапазон используется блок сигнализации (БС).

2.2 Функциональная схема реализации проекта

На рисунке 2 представлена функциональная схема контрольно-измерительной системы расхода, давления и температуры.

 

Рисунок 2 – Функциональная схема реализации контрольно-измерительной системы

Перечень основных элементов и узлов системы:

1. Микроконтроллер ATmega128;

2. АЦП MCP3208;

3. Датчик давленияDMP 331K;

4. Кориолисовый расходомер CMFS100H/P;

5. Интегральные датчики температуры HEL-776-A-T-1 и HEL-705;

6. Часы реального времени M41T56;

7. ЖКИ HD44780;

8. Тиристорные регуляторы с контролем нуля;


9. Релейные регуляторы;

10. Источник питания.

 

2.3 Принципиальная схема

Полная принципиальная схема проекта представлена в приложении А.

 

 

 

 

 


ГЛАВА 3.ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ СИСТЕМЫ

 

3.1Датчики

 

1. Датчик давленияDMP 331K

В соответствии с заданием (см. таблицу 1) к датчику давления проектируемой системы предъявляются следующие требования:

- диапазон: 1 – 20 кгс/м2;

- номинальное значение: 15 кгс/м2;

- максимальная скорость изменения: 40ед/сек.

Согласно этим требованиям в качестве датчика давления был выбран датчик DMP 331K.

DMP 331K - высокоточный кремниевый тензорезистивныйдатчик давления со временем отклика 0,5 миллисекунд. Датчик предназначен для приложений, в которых требуется чрезвычайно быстрое и точное измерение давления. Традиционно широкий для датчиков давления БД Сенсорс выбор механических и электрических присоединений позволяет легко интегрировать DMP 331K в системы и оборудование заказчиков. На рисунке 3 изображён внешний вид датчика давления.

 

источник: http://www.bdsensors.ru/pdf/doc/dmp331k.pdf

Рисунок 3 – внешний вид датчика давления DMP 331K


Области применения:

- пневматика, гидравлика;

- технологические процессы;

- испытательные стенды;

- измерительное оборудование.

Параметры:

- Диапазоны давления от 0...100 мбар до 0...600 бар (от 0...1 кПа до 0...6 МПа);

- индивидуальная настройка диапазона по требованию заказчика;

- выходные сигналы: 3-х пров.: 0,1...10 В, 4...20 мА;

- время отклика ≤ 0,5 мс;

- отличная долговременная стабильность;

- различные варианты электрических и механических присоединений;

- высокая линейность характеристик;

- высокая температурная стабильность;

- защита от неправильного подключения, короткого замыкания и перепадов напряжения;

- прочная и надёжная конструкция для тяжелых условий эксплуатации;

- продолжительный срок службы;

- коррозионностойкий металлический корпус для полевых условий;

- изготовление датчиков с требуемыми характеристиками под заказ.

На рисунке 4 изображена схема подключения датчика к информационно-измерительной системе.


источник: http://www.bdsensors.ru/pdf/doc/dmp331k.pdf

Рисунок 4 – Схема подключения датчика давления к ИИС

 

2. Кориолисовый расходомерCMFS100H/P.

В соответствии с заданием (см. таблицу 1) к датчику расхода проектируемой системы предъявляются следующие требования:

-  диапазон: 1 – 15 м3/ч;

- номинальное значение: 10 м3/ч;

- максимальная скорость изменения: 30ед/сек.

Согласно этим требованиям в качестве датчика расхода был выбран расходомерCMFS100H/P.

Расходомеры MicroMotion серии ELITE отличаются непревзойденным уровнем рабочих характеристик при измерении расхода и плотности и обеспечивают высочайшую точность измерения расхода и плотности жидкостей, газов и шлама в наиболее сложных условиях эксплуатации.

Принцип работы кориолисового массового расходомера построен на использовании силы Кориолиса, возникающей при колебаниях расходомерных трубок, через которые проходит измеряемая среда. Несмотря на то, что колебания не являются строго круговыми, они образуют вращающуюся систему координат, в которой действует сила Кориолиса.

Измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на равные половины, протекающие через каждую из сенсорных трубок. Движение задающей ка


тушки приводит к тому, что трубки колеблются вверх-вниз в противоположном направлении друг к другу.

 


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 131; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ