Федеральное агентство по образованию  Российской Федерации

    Дагестанский Государственный  Технический  Университет 
 

                                                                 Кафедра   ВТ 
 
 

                                                                     По дисциплине:

                      «Методы автоматизированного проектирования»

                                               На тему:

«Аппаратные средства автоматизированной газораспределительной станции» 
 
 
 

                                                                                     Выполнил: ст-т 5-го курса

         Гр.У531

                                                                                                          Имамалиев З.С 

                                                                                             Проверил: Магомедов И.А 
 
 
 

Махачкала 2009 г. 

Аннотация 

           В данном курсовом проекте  рассматривается разработка аппаратных средств автоматизированной газораспределительной станции.

       В проекте разработаны структурные,  функциональные и принципиальные  схемы. 

   Пояснительная записка к курсовой  работе содержит:

• Страниц _______
• Рисунков ______
• Таблиц ______

                                             Введение 

       Использования микроэлектронных средств в изделиях производственного, спортивного и  культурно-бытового назначения не только приводит к повышению технико-экономических  показателей изделий (стоимость, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет многократно сократить сроки разработки, отодвинуть сроки «морального старения» изделия, но и придает им принципиально новые потребительские качества (расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность и т. д.).

       За  последние годы в микроэлектронике бурное развитие получили направление, связанное с выпуском микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров, которые предназначены для «интеллектуализации» оборудования различного назначения. Однокристальные микроконтроллеры включающие в себя все приборы, конструктивно выполненные в виде  БИС и включающие в себя все составные части, микро-ЭВМ: микропроцессор, память программы и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может стоять только из одной БИС микроконтроллера), что микроконтроллерам, видимо, нет разумной альтернативной элементной базы для построения управляющих и (или) регулирующих систем. Например, в современных автомобилях установлены до 20 микроконтроллеров различного назначения и такое направление будет развиваться и в дальнейшим. КК настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальный микроконтроллеры. Отечественная электронная промышленность, имевшая некоторые успехи в данной области, в настоящие время утратила свои позиции среди производителей микропроцессоров и микроконтроллеров. Поэтому при разработке микропроцессорных устройств и систем российские специалисты вынуждены пользоваться, в основном, зарубежной элементной базой, которая доступна широкому кругу потребителей. Особое внимание в настоящие время уделяется внедрению микропроцессоров, обеспечивающих решение задач автоматизации управления механизмами, приборами и аппаратурой. Адаптация микропроцессора к особенностям конкретной задачи осуществляется в основном путем разработки соответствующего программного обеспечения, заносимого затем в память программ. Аппаратная адаптация в большинстве случаев осуществляется путем подключения необходимых интегральных схем обрамления и организации ввода –вывода, соответствующих решаемо задачи.

Критерии  выбора МП в системах управления

       При создание цифровых систем автоматически  и управления приходится решать две  основные задачи. Первая связана с  необходимостью принятия решения о  целесообразности использования МП как элементной базы. Вторая – с выбором конкретного типа микропроцессора. Выбор между традиционной и микропроцессорной реализациями цифровых устройств должен в каждом конкретном случае осуществляется с учетом многих факторов, окружающие данное применения. МП представляет собой системный компонент универсального применения. Универсальность МП позволяет использовать их для реализации широкого набора арифметических и логических операция вместо цифровых автоматов., построенной на основе схемной логики. Однако программная реализация алгоритмов в МП происходит медленнее, чем в специализированном цифровом автомате.

       Для оценки той или другой реализации может быть принят следующие критерии: если реализуемое устройство функций  относительно просты и нет необходимости  в частой модификации, то экономически традиционная аппаратная реализация с фиксированной логикой. Если же имеется широкий набор функции (алгоритмов) средней и повышенной сложности и требуется функциональная гибкость или модификация системы, то целесообразна микропроцессорная реализация алгоритмов при условии при условии обеспечения требуемого быстродействия. После принятия решения о разработке системы на основе МП решается задача конкретного типа.

       В мире выпускается свыше 500 типов  микропроцессоров и большое число их находятся в разработке, что усложняет проблему выбора. Каждая конкретная область применения МП предъявляет специфические требования к их логическим и вычислительным мощностям, гибкость, быстродействию, стоимости, надежности и других характеристикам. Это, в свою очередь, обслуживает расширение спектра, выпускаемых МП, и создание, наряду с универсальными, специализированных МП, наиболее полное удовлетворяющих предъявляемым требованиям. Комплексная сравнительная оценка качества МП должна осуществляться по совокупности основных технико-экономических характеристик, которые являются наиболее важными для данной области применения. Перед проектированием пользователь определяет требования к ней и функции, которая система должна выполнять.

       Микропроцессорную систему проектируют по модульному принципу, который обеспечивает возможность подключения большого количества запоминающих устройств (далее ЗУ) и устройств ввода-вывода (далее УВВ), а также возможность расширения системы.

       Магистральная структура связи между устройствами МП системы минимизирует аппаратуру при распределение информации по параллельным входам и выходам, уменьшает количество схем сопряжения, обеспечивает возможность расширения системы и позволяет реализовать режим прямого доступа к памяти.

       Наряду с этим параметрами существенное значение имеют стоимость, количество МП, необходимых для реализации конкретной системы, наличия полной номенклатуры микропроцессорных БИС, особенно интерфейсных и других вспомогательных микросхем, наличие контрольно-измерительной аппаратуры, пакетов прикладных программ и т. п.

       В каждом конкретном случае применения МП должны быть выделены определяющие параметры, по которым будут сравниваться и оцениваьься их качество. 
 
 
 

Глава1.Анализ технического задания    и современное состояние вопроса разработки и построения системы 
 

     В последние годы в России  наблюдается расширение номенклатуры и повышение технического уровня выпускаемых газораспределительных станций. Всё более актуальными становятся вопросы повышения безопасности эксплуатации ранее изготовленных станций. Это приводит к необходимости совершенствования существующих и создания новых микропроцессорных приборов и систем их защиты, контроля и управления. Опыт эксплуатации газораспределительных станций  свидетельствует о том, что около половины аварий и несчастных случаев происходит из за низкой трудовой и производственной дисциплины.

Станции обеспечивают выполнение следующих функций:

• редуцирование газа высокого давления до указанного низкого и поддержание его с определенной точностью;
• подогрев газа перед редуцированием;
• автоматическое управление режимами работы технологического оборудования станции, в том числе ограничение поставок газа по требованиям газораспределяющей организации (ГРО);
• выдача аварийных и предупредительных сигналов при нарушениях работы на пульт диспетчеру или оператору.
• измерение расхода газа с многосуточной регистрацией данных и передачей информации на уровень газораспределяющей организации;
• одоризация газа;
• очистка газа от капельной влаги и механических примесей

       В данном курсовом проекте  рассматривается разработка аппаратных  средств автоматизации газораспределительных  станций (ГРС).Система управления  ГРС предназначена для учёта  количества газа на входе и  на выходе ГРС, а также для  решения задач управления. Система должна обеспечивать учёт и индикацию расхода газа, а также передачу учётной информации на диспетчерский пункт (ДП) по интерфейсу RS-232 по запросу ДП.

      Система должна контролировать следующие параметры:

• Канал давления
• Канал температуры
• Датчики расхода
• Индикация и  учёт расхода газа

Текущие и допустимые значения параметров должны отображаться на ЖКИ. Пределы измерения: Рвых =3-12 кгс/см; Рвх =12-55 кгс/смﯦ  
 
 
 
 

Cовременное состояние вопроса разработки и построения системы 

      Автоматические блочные газораспределительные станции "Энергия" предназначены для питания отдельных потребителей природным, попутным, нефтяным, предварительно очищенным от тяжелых углеводородов, и искусственным газом от магистральных газопроводов с давлением (1,2—7,5 МПа) путем снижения давления до заданного (0,3—1,2 МПа) и поддержания его. Станции "Энергия" эксплуатируются на открытом воздухе в районах с умеренным климатом при температуре окружающего воздуха от –40 °С до +50 °С с относительной влажностью 80% при 20 °С. ТУ 51-03-22-85. Разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ № РРС 00-17765 от 08.09.2005 г.

                                Основные функции ГРС Энергия:

• очистка газа от капельной влаги и механических примесей;
• сброс конденсата в дренажную емкость;
• подогрев газа перед редуцированием;
• редуцирование высокого давления газа до заданного и поддержание его с определенной точностью при изменениях входного давления или расхода газа;
• одоризация газа перед подачей потребителю;
• измерение расхода газа с многосуточной регистрацией;
• автоматическое управление режимами работы станции;
• выдача аварийных и предупредительных сигналов при нарушениях режима работы на пульт диспетчеру или оператору.

                       Технические решения газораспределительной станции:

• станции поставляются в виде полностью укомплектованного оборудования в строгом соответствии с требованиями опросного листа;
• измерение расхода газа в ГРС осуществляется измерительными комплексами по выбору заказчика;
• узел редуцирования давления газа представляет собой две нитки (рабочая и резервная) с двумя последовательно установленными регуляторами, обеспечивая 100% резервирование оборудования по основному выходу газа;
• подогрев газа перед редуцированием осуществляется подогревателем с промежуточным теплоносителем или огневым подогревателем прямого действия;
• система автоматизированного управления (САУ) ГРС обеспечивает контроль рабочих параметров, выдачу аварийных и предупредительных сигналов на пульт диспетчеру и оператору;
• ГРС укомплектованы одоризаторами, обеспечивающими автоматическую одоризацию газа пропорционально его расходу;

ОБОРУДОВАНИЕ  СТАНЦИЙ «ГРС ГАЗПРОММАШ»  ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ  ОТ 10000 ДО 50000 НМ³/Ч  СОСТОИТ ИЗ СЛЕДУЮЩИХ  БЛОКОВ:

Блок-бокс редуцирования – состоит из узла редуцирования, представляющего собой  две равноценные, рассчитанные на 100% пропускную способность, редуцирующие нитки (при необходимости предусматривается  дополнительная линия редуцирования  малых расходов); коллектор очистки газа с двумя сетчатыми фильтрами (один из которых резервный), и накопителем с автоматическим сбросом отстоя в дренажную емкость; газорегуляторный пункт ГРПН-300 для газоснабжения отопительного котла в блок боксе КИПиА, дома оператора и обеспечения давления в линии передавливания; узел подготовки импульсного газа; оборудование охранной и пожарной сигнализации. 

Блок-бокс переключений, в котором располагаются: байпасная линия, узел подготовки импульсного  газа, переключающие шаровые краны  с пневмоприводом, узел предохранительных клапанов, оборудование охранной и пожарной сигнализации.

  Блок-бокс  КИПиА включает в себя: топочную  с котлом отопления, обеспечивающим  обогрев блок бокса КИПиА и  блок бокса редуцирования (система  отопления с механическим побуждением); операторную, в которой располагается шкаф управления ШКУ ГРС, выполняющий полный объем информационных, вычислительных, управляющих и диагностических функций в условиях непрерывного режима работы ГРС, а также обеспечивающий связь с системами верхнего уровня по стандартному протоколу MODBUS RTU; помещение для мастерской. Возможен вариант блок-бокса КИПиА без мастерской. 

Одоризатор  газа ОДДК02 нового поколения с дозированной подачей одоранта и автоматической коррекцией степени одорирования по текущему расходу газа с одновременным учетом расхода одоранта. Обслуживание одоризатора газа осуществляется без захода оператора во внутрь блок-бокса. 

В качестве узла предотвращения гидратообразования используются подогреватели газа с  промежуточным ГПМ-ПТПГ, тип и количество которых выбирается конкретно для каждой ГРС в соответствии с разработанным специалистами завода «Газпроммаш» методическим руководствам «Рекомендации по подбору подогревателей газа для использования в составе ГРС». Данное руководство позволяет рассчитать необходимое количество и наиболее приемлемый тип применяемого подогревателя для различных технологических схем ГРС (нагрев всего количества газа, подвергающегося редуцированию, либо использование технологии смешения, когда часть газа нагревается до оптимальной с точки зрения работы подогревателя температуры, после чего смешивается с оставшимся количеством газа). Кроме того, в процессе выбора подогревателей газа проверяются тепловая мощность и скорость движения газа в трубном пучке.

                                                   ВАРИАНТ РАЗМЕЩЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НА ПЛОЩАДКЕ

                                ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ «ГРС ГАЗПРОММАШ-10»

Глава 2. Разработка структурной схемы аппаратных средств газораспределительной станции 

     Схема структурная позволяет определить структуру или основные элементы системы и связь между ними, т.е. провести тщательный анализ по выбору схемы. В данном разделе задача сводится не только к синтезу структурной схемы, но и к выбору эффективного решения соответствующего аппаратного обеспечения поставленной задачи. При выборе той или иной структурной схемы, необходимо учесть все положительные и отрицательные стороны. Система базируется на цифровых системах обработки информации, которая имеет достоинства по сравнению с аналоговыми методами обработки и контроля. Достоинства такого подхода следующие: снижение аппаратных затрат; снижение весогабаритных характеристик; снижение себестоимости готового изделия; уменьшение затрат на производство; повышается среднее время наработки на отказ устройства; увеличение гибкости системы; улучшение технических характеристик.

     Исходя  из вышесказанного, была разработана структурная схема аппаратных средств газораспределительной станции, которая состоит из следующих блоков и функциональных узлов (см. приложения):  

• Блок  аналоговых датчиков (датчики температуры(1),давления (7))
• Блок импульсных датчиков (датчики расхода (3))
• Нормирующее устройство
• Аналоговый коммутатор
• Аналогово-цифровой преобразователь
• Регистр управления
• Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ)
• Шинный формирователь (ШФ)
• Устройства формирования управляющий сигналов
• Генератор тактовых импульсов
• Схема сброса
• Часы реального времени с резервным источником питания
• Блок формирования управляющих сигналов
• Буферный регистр данных АЦП
• Блок кнопок
• Схема счетчика
• Контакты ключа
• Базовые элементы (И, ИЛИ)

       Блок аналоговых датчиков- предназначены для измерения и преобразования некоторой физической величины в электрический сигнал. Основным параметром датчиков является точность измерения, пределы измерения, бит выходного сигнала. Датчики давления и температуры предназначены для преобразования измеряемого параметра в электрические аналоговые сигналы, пропорциональные измеряемому параметру. 

         Блок импульсных датчиков- датчик импульса формирует на своем выходе импульсы пропорциональные измеряемому расхода газа.  

           Нормирующие устройства используются для согласования значений аналоговых сигналов выходов с аналоговых датчиков с входом АК, т.е для нормирования выходных сигналов с датчиков.   

       Аналоговый коммутатор используется для адресной или последовательной коммутации входных аналоговых сигналов. Коммутация входных сигналов производится при поступлении двоичного кода номера коммутируемого канала на адресные входы АК. Код номера канала сохраняется на адресных входах посредством регистра управления до конца преобразования аналогового сигнала в цифровой код и записи этого кода в буферный регистр АЦП.

   Аналого-цифровой преобразователь используется для преобразования аналогового сигнала (АС) в цифровой код (ЦК), т.е. для согласования аналоговой части системы управления с цифровой частью системы. Для управляющего запуском АЦП используется один из разрядов регистра управления. После подачи этого управляющего сигнала на АЦП происходит запуск АЦП и через некоторое время на информационных выходах  формируется цифровой код, а на управляющем выходе АЦП формируется сигнал-конец преобразования(КП). Этот сигнал может быть использован для записи данных с цифровых выходов АЦП в буферный регистр данных АЦП. Выбор разрядности АЦП производится в зависимости от требуемой точности преобразований.   

   Буферный регистр АЦП предназначен для временного хранения данных, предназначенных для ввода в процессор. Особенностью данного регистра является то что выходы этого регистра трехстабильные, т.е. имеют третье состояние. Все устройства ввода подключаются к шине данных процессора только через трехстабильные элементы (буферное устройство или шинный формирователь). Считывая содержимое регистра данных АЦП производится по сигналу с выхода устройства формирования управляющих сигналов. Причем этот сигнал формируется устройством обработки данных в зависимости от состояния регистра состояния АЦП.   

   Регистр управления предназначен для хранения кода номера аналогового канала и формирования сигнала “Пуск АЦП”. 

   Устройство формирования управляющих сигналов предназначено для формирования управляющих сигналов ввода или вывода данных в зависимости от кода на адресной шине процессора и от управляющего сигнала. На выходах УФУС может быть в каждый момент времени только один активный сигнал, т.е. процессор в каждый момент времени может производить чтение данных с одного устройства или запись данных в одно устройство. 

      Процессор - предназначен для программной реализации следующих основных функций: управления вводам и выводом информации по каналам; сохранением текущего состояния противоугонной системы; управления отображением текущей информации на дисплее противоугонной системы; самотестирования системы и выполнения других вспомогательных и сервисных функций.  

      Жидкокристаллический  индикатор – предназначен для отображения служебной информации, такой как номер автомобиля система свой чужой, осуществляющая проверку подлинности владельца. 

      Шинный  формирователь – используются для повышения нагрузочной  способности шины данных УОД, а так же для организации двунаправленного

      Схема сброса – служит для формирования сигнала сброса системы при подаче питания.

          Генератор предназначен для формирования тактовых импульсов, частота которых зависит от типа устройства обработки данных.

         Блок кнопок предназначен для настройки часов реального времени, а так же просмотра архивных данных.

         Часы реального времени используется для привязки информации к текущему времени и для организации архива. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 3. Разработка функциональной схемы аппаратных средств газораспределительной станции 

     Одним из главных следствий широкого внедрения  МК в разнообразных системах управления, будь то управление сложным технологическим  процессом или всего лишь бытовым  прибором, является резкий рост потребности в дешевых и надежных датчиках. Хотя датчики имеют гораздо более солидную историю, чем вся вычислительная техника, тем не менее, в современных устройствах доминирующую роль играют МК и МП. Отсюда и необходимость разработки датчиков, совместимых с МК конструктивно, по точности, быстродействию, долговечности и другим параметрам. Этим же объясняется и общая тенденция “интеллектуализации” датчиков, т.е. конструктивного объединения их с микропроцессорными устройствами для предварительной обработки информации.