Разработка АСУТП развальцовки труб в трубных решетках теплообменных аппаратов на базе комплектных микроконтроллеров

Введение: Министерство высшего образования Российской Федерации

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «автоматизация производственных процессов»

                КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО «ПРОЕКТИРОВАНИЮ  СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ»

ТЕМА: «Разработать АСУТП развальцовки труб в трубных решетках теплообменных аппаратов на базе комплектных микроконтроллеров»

                                                                 Волгоград, 2002.

Содержание

Введение            3

1. Разработка технического задания       4
1. Наименование, назначение и область применения     4
2. Технические характеристики        4
3. Техническое описание         4
2. Анализ существующих микроконтроллеров      5
1. Технические характеристики микроконтроллера УНИКОНТ   5
2. Техническая характеристика промышленных 
   микроконтроллеров серии ЭК-2000       7
3. Техническая характеристика микроконтроллера типа DEP-системы  8
4. Техническая характеристика микроЭВМ К1810     10
5. Техническая характеристика однокристальной микроЭВМ (К1816)  13
6. Технические характеристики ПИК – контроллеров                14
3. Обоснование выбора микроконтроллера      21
4. Основная часть          22

4.1  Подсистема ввода                                                                                                 23     

4.1.1 Разработка датчика  крутящего моментаа                                                         23

4.1.1.1       Анализ существующих методов  измерения угла поворота                  23

4.1.1.2       Компоновка датчика угла поворота                                                        26

4.1.1.3       Расчет чувствительного элемента                                                           27

4.1.1.4       Разработка технологии крепления  тензоризистора                              29

4.1.2 Разработка датчика угла поворота                                                                   30

4.1.2.1        Анализ зуществующих методов  измерения угла поворота                30

4.1.2..2       Компононовка ДУП                                                                                32

4.1.2.3        Выбор элементной базы                                                                         32

4.2    Подсистема  ввода                                                                                              34

4.2.1 Разработка панели  ндикации                                                                           34

4.2.1.1.        Выбор элементной базы                                                                        34

4.2.1.2         Конструктивное оформления платы индикации                                 34

4.2.2 Разработка панели  управления                                                                         35

4.2.2.1          Выбор кнопок управления                                                                     35

4.2.2.2          Конструктивное оформление оформление  пенели управления        36

4.3  Разработка функциональной  схемы АСУТП                                                     37

4.4  Разработка электрической  принципиальной схемы АСУТП                           38

4.5  Техническое описание  АСУТП                                                                           38   

Литература                                                                                                                   39                                

Введение:    

     Развитие современной теплоэнергетики  требует усовершенствования конструкции теплоэнергетических установок. Одним из основных элементов современных, теплоэнергетических установок являются теплообменные аппараты. Чем эффективнее теплообменный аппарат в теплообменной установке, тем более высоким коэффициентом полезного действия будет обладать сама установка. Зачастую в теплообменных аппаратах теплопередающими поверхностями являются пучки труб круглого или более сложного профиля, которые закреплены трубных   решетках.   Весьма   важным   является   обеспечение   равномерности распределения труб в трубных решетках. Крепление труб в трубных решетках осуществляется вальцовкой . Для котроля управления и коррекции процесса вальцовки внедряют автоматизированные систем управления технологическим процессом, которые выполняют обработку данных и выдают команды управления исполнительным устройствам . Повышение технико-экономических показателей автоматизированных систем управления технологическими процессами, таких как качество процессов управления, надежность и долговечность, безопасность эксплуатации и ремонтопригодность, снижение затрат на проектирование, монтаж и пуск , возможность адаптации системы к изменяющимся свойствам объекта автоматизации, улучшение условий работы операторов, в большей степени зависит от используемых технических средств в автоматизированных системах управления технологическими процессами .На основе достижений вычислительной техники была разработана стратегия автоматизации, базирующаяся на концепции создания интегрированных на базе вычислительной техники (ЭВМ, микроконтроллеры) производственных комплексов .Целью данной работы является разработка автоматической системы управления технологическим процессом развальцовки труб в трубных решетках теплообменных аппаратов.

1 Разработка технического  задания

   1.1 Наименование, назначение и область применения

     Автоматизированная система управления  технологическим процессом (АСУТП) предназначена для развальцовки труб в трубных решетках теплообменных аппаратов.

      1.2 Технические характеристики

Датчик крутящего  момента (ДКМ):

крутящий  момент                                   30Нм

наружный  диаметр месдозы                        25мм  

тензопреобразователь фольговый 

материал  месдозы                                       сталь 40х    

твердость материала  месдозы            35 HRC

Датчик угла поворота (ДУП):

фотоимпульсный  преобразователь (ФИП)   8 имп/об 

Индикация                                     светодиоды

Количество  постов                                     4 поста

Удаление постов друг от друга                     400м

Частота вращения вала                                  330 об/мин

    Разрабатываемая     микропроцессорная     система    управления     на    базе

программируемого    микроконтроллера    должна    соответствовать    следующим

требованиям:

-    хорошая  возможность для расширения системы;

-    пыле - и грязезащищенность;

-    высокая  помехоустойчивость;

-    гальваническая  развязка всех входов и выходов; 

-    высокое  быстродействие и сравнительно  малую стоимость.

     1.3 Техническое описание

      Разрабатываемая автоматизированная  система управления технологическим  процессом должна выполнять следующие операции:

-    получение  информации от датчиков, расположенных  непосредственно на

     Обьекте (датчик угла поворота, датчик крутящего момента);

-   выдача  сигналов управления в зависимости  от результатов обработки информации, полученной отдатчиков;

-    выдача  информации на консоль ЭВМ.

     2. Анализ существующих микроконтроллеров

    2.1 Технические характеристики микроконтроллера  Униконт

   Униконт-система IBM-совместимых программно-технических средств ,  включающих в себя'контроллеры (8086, 80186, 80286, 80386SX, 80486) , рабочие станции (80386SX, 80486SC), пульты оператора-технолога, табло, речевой вывод, сетевые средства и полный набор устройств связи с объектом (УСО) для создания распределенных и автономных АСУТП, а также для реконструкции и разработки электронных щитовых систем КИП и А в энергетике, металлургии, химии, нефтехимии, машиностроении, транспортной и в других отраслях промышленности.

     Система управляющих вычислительных  комплексов Униконт состоит из ряда изделий разных по производительности, исполнению и габаритным размерам. Они предназначены для создания электронных щитовых систем, автономных автоматов, территориально-распределенных иерархических систем АСУТП во многих отраслях промышленности. Комплексы Униконт архитектурно и программно совместимы с ПЭВМ IBM PC AT/XT и позволяют строить смешанные системы с использованием на различных уровнях контроллеров и рабочих станций Униконт и (или) IBM PC AT/XT. Комплект ключает в себя низовые контроллеры, комплексы с периферийными устройствами, рабочие станции, рабочие места оператора-технолога, сетевые средства, программное обеспечение для функционирования всей системы, пакеты прикладных программ. В целях повышения надежности АСУТП средства программно-технического комплекса Униконт могут компоноваться в дублированные системы.

     Комплексы могут быть укомплектованы (в зависимости от исполнения) жесткими дисками (ST-225, ST-242 и т.д.), дисплеями от CGA до SVGA с размером экрана 32...51 см и различными печатающими устройствами и технологическими клавиатурами.

     Например, комплекс Униконт УК211 имеет следующие технические характеристики:

    Скорость  коротких операций в секунду   5 млн.;

      Объем  памяти:

                    оперативной                                           1Мбайт;                     

                    внешней постоянной                             0,256... 1 Мбайт;

      Объем внешней памяти:

                   НГМД                                                     360 ... 720 Мбайт;

                   НМД                                                         20…140 Мбайт;

      Комплекс   УК211    комплектуется   цветным   дисплеем,   двумя   жесткими дисками     ипа   "Винчестер   ST-225", двумя   гибкими   дисками   "Электроника М-З11",   печатающим  устройством   СМ6337.   Во   всех   комплексах  Униконт f процессор снабжен часами реального времени с батарейным питанием. Контроллеры Униконт обладают высокой производительностью, повышенной надежностью, работающие в необслуживаемом режиме в диапазоне температур минус 35... +55°С. Контроллеры имеют вентиляторы, могут эксплуатироваться при высокой влажности, под водой и в агрессивных средах. Их конструкция удовлетворяет всем эргономическим требованиям. Высокое быстродействие процессора и относительно небольшое число связи каналов с объектом,позволяет использовать контроллеры в системах управления и получить время реакции до 0,09 сек.

     Обычно комплексы с периферийными  устройствами состоят из пяти  блоков элементов и содержат  центральный процессор с контроллерами видеотерминала и дисков, а низовые — беспериферийные контроллеры имеют одноплатный процессор, имеющий следующие характеристики:

              Микропроцессор                                       180186

             Тактовая частота                                        20 МГц

              Объем памяти

              -  оперативной                                      32... 128 Кбайт

             -  постоянной (энергонезависимой)      32...512 Кбайт

      Все комплексы имеют энергонезависимую память, обеспечивающую сохранение информации, необходимой для ведения технологического процесса.

      Набор модулей  УСО достаточно  универсален. В его составе  предусмотрены модуль ввода-вывода аналоговых сигналов среднего уровня (0...5; 4...20 мА;0...5; 0... 10 В); модуль ввода-вывода дискретных сигналов постоянного и переменного тока

(в том числе  с гальванической развязкой и  защитой от короткого замыкания) в диапазоне 6...220 В; модуль ввода частотных, число- и время- импульсных сигналов.      Имеются модули УСО, позволяющие осуществлять ввод сигналов низкого уровня - от термопар и термометров сопротивлений; регистрацию быстродействующих процессов; ввод от дифференциальных и вращающихся трансформаторов и т.п.   Разрядность модулей ввода аналоговых сигналов 12... 13, вывода 12 разрядов. Каналы ввода-вывода аналоговых сигналов среднего и низкого уровней метрологически аттестуются на заводе-изготовителе.

      Следует  отметить высокую надежность  центральной части и модулей  УСО, отказы которых крайне редки.

      Постоянный рост числа заказчиков, быстрое внедрение АСУТП с применением мощных пакетов прикладных программ, внедрение системы Униконт в государственные программы автоматизации энергетики показывают, что система Униконт, по оценкам специалистов и проектных организаций, входит в тройку наиболее перспективных систем в СНГ.

2.2 Технические характеристики  промышленных контроллеров серии ЭК-2000 фирмы «Эмикон»

       Контроллеры  фирмы ЭМИКОН применяются на  предприятиях черной и цветной металлургии, на перерабатывающих заводах агропромышленного комплекса, на предприятиях строй индустрии, в системах автоматизации городских коммунальных хозяйств.

       Программируемые  контроллеры серии ЭК-2000 предназначены для использования в тех системах управления, к которым предъявляются повышенные требования по надежности, защите систем управления от воздействия пыли, брызг, агрессивных сред, к работоспособности в широком диапазоне температур и воздействии вибраций.

       Высокие  эксплуатационные характеристики контроллеров обеспечиваются оригинальной архитектурой, использованием электронных элементов ведущих зарубежных фирм, применением новейших технологий при изготовлении печатных плат и монтаже модулей.

      Контроллеры серии ЭК-2000 в зависимости  от конфигурации могут быть отнесены к контроллерам как малого (до 64 входов-выходов), и среднего (до 320 входов-выходов) класса. При объединении нескольких контроллеров в локальную сеть число входов-выходов увеличивается до 1280.

      Конструктивно  контроллеры ЭК-2000 состоят из вычислительного и кроссового блоков, соединенных между собой кабелем .

      Широкий набор модулей связи с объектом позволяет создавать системы упрявления различной конфигурации и степени сложности.

      В состав контроллера входят  следующие модули:

-   центральный модуль CPU-01А (процессор 180С188ЕВ (16 МГц),

-   системное ПЗУ  (32 Кбайт), пользовательское ПЗУ (32 Кбайт),

- энергозависимое ОЗУ  (32/64 Кбайт), энергозависимый таймер/календарь,                                                           один последовательный интерфейс RS-232 или RS-485, один последовательный             гальванически развязанный интерфейс RS-232 или (токовая петля 20 мА);     -    модуль ввода дискретных сигналов постоянного тока DI-01A (U_{BX ,НОM} -24 В, число каналов N - 32);

- модуль вывода дискретных сигналов  постоянного тока DO-01A (U_BblХ,_НОМ -24 В, 1 - 2 А, N - 32, открытый сток, электронная защита от короткого замыкания выхода, активная и индуктивная нагрузка);

-   модуль ввода-вывода  сигналов постоянного тока DIO-01A (U,_НOM - 24 В,

I_Н.МАКС – 2А, N_ВХ. – 16, N_ВЫХ – 16);

- модуль вывода дискретных сигналов  переменного тока DO-01A 
(~U_BblХ,НОМ - 110 В, I_|НОМ -2 А, N - 8);

• модуль ввода аналоговых сигналов AI-01А (диапазоны: 0... 10В; 0...5В; 0...2,5В;-10... + 10 В;-5...+5 В;-2,5...+2,5 В;-1,25... + 1,25 В; 12разр., N - 16);

-   модуль  ввода аналоговых сигналов AI-01В (диапазоны: 0...+1В; 0...+0,5В; 0...+250 мВ; -1...+1 В; -0,5...+0,5 В; -250...+250 мВ; -125... + 125 мВ; 12разр., N- 16);

- модуль ввода аналоговых  сигналов AI-01C (диапазоны:0...+20мА; 
0...+10мА;0...+5мА;-20...+20мА;-10...+10мА;-5...+5мА;-2,5...+2,5мА; 12 разр., N- 16);

-   модуль ввода  сигналов с термометров сопротивлений AI-02A (12 разр., N - 16, четырехпроводное подключение датчиков типа ТСМ, ТСП);

-модуль ввода с  термопар AI-02B (12 разр., N - 16, внешняя термокомпенсация);

-модуль вывода  аналоговых сигналов АО-01 А (диапазоны: -10...+ 10 В; 0... + 10 В; -5U...+5 В, 12 разр., N-4);

-    модуль  вывода аналоговых сигналов АО-02А  (диапазоны: 0...5 мА; 0...20мА, 12разр., N-4);

-    модуль быстрых  счетчиков QC-01 (500 кГц, 16 разр., N - 8);

-    модуль реверсивных  счетчиков QC-02 (500 кГц, 16 разр., N - 2); ^s

-  модуль  управления монохромным видеотерминалом V-01 (64 символа, 25 строк, алфавитно-цифровая информация и псевдографика, видеовыход);

-   модуль  связи с принтером Р-01 (Centronics);

-    сетевой  модуль низкого быстродействия  С-01 (2400 бит/с, 10 км, токовая петля 20 мА);

-    сетевой  модуль среднего быстродействия  С-02 (1 Мбит/с до 100 м, 64 Кбит/с до 500м . RS-485);

• блок питания PU-01A (U_BX - 220 В, U_вых1, - 5 В, U_вых2 - ±15 В, I_вых1 –4A, I_вых2 –0,4);
• блок питания PU-01B (U_BX - 24 В, U_вых1, - 5 В, I_вых1 –4A);
• блок питания PU-02A (U_BX - 220 В, U_вых1, - 5 В, U_вых2 - ±15 В, I_вых1 – 4A, I_вых2 –0,4);
• блок питания PU-02B (U_BX - 24 В, U_вых1, - 5 В, I_вых1 –4A);

     Все  модули  связи  с   объектом   имеют  гальваническую  развязку   между входными и выходными цепями и системным питанием.

       2.3 Технические характеристики микроконтроллера DEP-системы

       Система автомвтизации на базе DEP-обородувания имеет распределенную модульную архитектуру. Функции консоли выполняет IBM PC, которая служит для сбораи отображения технологических данных, управления состояниемобъекта и протоколирования его работы.

       Измерительно-управляющие контроллеры являются локальными устройствами связи с объектом (ЛУСО) и осуществляют сбор, первичную обработку, передачу информации по сети и выдачу управляющих воздействий. Они устанавливаются в непосредственной близости от датчиков и исполнительных механизмов. ЛУСО имеют интерфейс для подключения в локальную технологическую сеть (ЛТС).

       Каналообразующая аппаратура объединяет  консоль и все ЛУСО в единую технологическую сеть. Архитектура системы может иметь смешанную топологиюи строится с применением различных контроллеров связи (КС): расширителей, модемных и радио контроллеров.

Состав аппаратно технических  средств DEP-оборудования:

-   измерительно-управляющие  контроллеры серий DEP-SL и DEP-TL;

-  контроллеры связи  серий DEP-SR и DEP-RL: контроллеры для связи по телефонным линиям, радиоканалу, расширитель ЛТС;

-   дополнительное  оборудование: блоки питания, сетевые  адаптеры для включения консоли в ЛТС и источники тока ЛТС;

• стенды для диагностики состояния контроллеров DEP-SL и TL. Программно-информационное обеспечение включает:
• DOC-документы по использованию DEP-оборудования

-   DEP-DEMO - графическая демонстрационная программа системы < 5ора, отображения информации и ручного управления на базе DEP-контроллеров. Обеспечивает автоматическую настройку на конфигурацию системы, диагностику состояния всех контроллеров, ведение и просмотр архива событий, удобный графический интерфейс для оператора. Поддерживает работу в режиме имитации без реальной связи с DEP-оборудованием. -    LUSODRV

• LUSODRV - системное программное обеспечение: программа

 CONFIG и драйвер контроллера – LUSODRV

Драйвер LUSODRV- многозадачная оболочка, обеспечивающая в режиме реального времени информационно-командный    обмен    со    всеми    контроллерами   по заданным в конфигурации параметрам. Используя функции драйвера,можно 

самостоятельно  создавать программы обработки  поступающей 
информации и управления системой на любом языке программирования. 
Данное    системное    обеспечение    используется    во    всех    системах, 
работающих на базе DEP-оборудования.

-  DR-DEMO - программа проверки работоспособности контроллеров. Обеспечивает сбор, отображение информации и ручное управление.

-  MIK&SYS - интегрированная оболочка для создания прикладных программных комплексов на одном или нескольких ПК, объединенных в локальную сеть. Включает в себя как исполнительную систему с развитыми графическими возможностями, так и инструментальную для     разработки     собственных     программных     продуктов     силами пользователей.

Специализированные  АРМы.

2.4 Техническая характеристика  микроЭВМ К1810

      Центральный  процессор (ЦП) К1810ВМ86 комплекта  имеет разрядность данных 16 бит, разрядность адреса 20 бит и тактовую частоту до 5 МГц. Его производительность примерно на порядок превышает производительность разработанного ранее 8-битового МП К580ВМ80. Дополнительное увеличение вычислительной мощности микропроцессорных систем (МПС), построенных на основе БИС серии К1810, достигается благодаря использованию специализированных процессоров: арифметического сопроцессора К1810ВМ87 и процессора ввода – вывода К1810ВМ89. Арифметический сопроцессор с высокими точностью и быстродействием выполняет разнообразные операции над числами с фиксированной и плавающей запятой. Процессор ввода – вывода эффективно осуществляет пересылку данных между внешними устройствами и памятью системы и производит при этом необходимые преобразования информации, освобождая тем самым ЦП для работы по основной программе.

Наличие большого числа  схем различной степени интеграции в МПК серии К1810 упрощает разработку МПС и делает их компактными и экономичными. Существенное значение имеет возможность использования совместимых с МПК серии К1810 программируемых БИС серии К580, число типов которых постоянно растет. На основе МПК К1810 выпускаются различные типы вычислительных средств, включая одноплатные управляющие микроЭВМ и микроконтроллеры, универсальные микроЭВМ, персональные ЭВМ и высокопроизводительные микропроцессорные системы, например ПЭВМ ЕС1840, «Нейрон И9.66», «Искра 1030.11», «АГАТ-П».

Состав МПК серии  К1810

Основные электрические  параметры БИС по постоянному току

       Нагрузочная  способность каждого входа БИС относительно невелика и соответствует одному входу микросхемы, выполненной по стандартной ТТЛ - технологии. Поэтому практически всегда выходные сигналы БИС необходимо буферизировать с помощью внешних схем, обеспечивающих требуемую нагрузочную способность.

       Предельно  допустимые условия эксплуатации  МПК БИС: температура окружающей  среды 0…70⁰С; напряжение на любом выводе относительно корпуса – 1,0…+7 В.

Центральный процессор  К1810ВМ86 осуществляет общую обработку данных и управление блоками системы в соответствии с заданной программой. Характерной особенностью МП К1810ВМ86 является возможность частичной реконфигурации аппаратной части для обеспечения работы в двух режимах – минимальном и максимальном.

       В минимальном режиме МП формирует все сигналы для управления внутрисистемным интерфейсом МПС и используется для построения однопроцессорных контроллеров и микроЭВМ.

В максимальном режиме МП используется для построения многопроцессорных систем (МПС), в которых сигналы управления шиной вырабатываются системным контроллером К1810ВГ88 на основании кода, сформированного МП.

       Микросхема  К1810ВМ86 представляет собой однокристальный 16-битовый МП, выполненный по высококачественной n-МОП-технологии. Кристалл микросхемы с геометрическими размерами 5,5х5,5 мм содержит около 29000 транзисторов и потребляет 1,7 Вт от источника питания +5 В. Схема выпускается в 40-выводном корпусе. Синхронизируется однофазными импульсами с частотой повторения 25 МГц от внешнего тактового генератора. Основные операции обработки данных (сложение, вычитание, логические действия) типа регистр – регистр выполняются за три такта. С максимальной быстротой (за два такта) выполняются регистровые пересылки, а также некоторые однооперандные команды. Микропроцессор К1810ВМ86 содержит 14 16-битовых внутренних регистров и образует 16-битовую шину данных для связи с внешней памятью и портами ввода – вывода.