Проектирование микропроцессорной системы контроля параметров горизонтального отстойника

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

ИНСТИТУТ  НЕФТИ И ГАЗА 

Кафедра Кибернетических  систем

направление 220201 «Управление и информатика в технических системах» 
 
 

к курсовой работе

по  дисциплине: «Проектирование  микропроцессорных  систем автоматизации»

на  тему: «Проектирование микропроцессорной системы контроля параметров горизонтального отстойника» 
 
 
 

  Выполнил                         ст. гр. УИТС-06-1, Жога Д. В. 

      Проверил                             д.т.н., зав. каф. КС Кузяков О.Н. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

          Дата защиты_____________                      Оценка__________  
 
 
 
 
 
 
 

       Тюмень 2010 
Задание на курсовую работу

      Разработать структурную и  принципиальную схемы  микропроцессорной системы контроля на основе микроконтроллера фирмы Atmel. Предусмотреть 3 канала управления. 

        Реферат

     Пояснительная записка содержит 16 страниц машинописного текста, 3 приложения, 3 рисунка, 1 таблицу и список использованных источников из 7-ми наименований.

     ОТСТОЙНИК ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ИНТЕРФЕЙС, АНАЛОГО-ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА, ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ.

     Объектом  является отстойник горизонтальный.

     Цель  работы: разработать структурную  и принципиальную схемы микропроцессорной  системы управления на микроконтроллере AT89C2051.

     В результате работы разработаны принципиальная и структурная схемы? блок-схема алгоритма работы и программа вышеназванной микропроцессорной системы.

        Содержание 
 
 

       Введение

       При изучении специализированных МП систем рассматриваются приемы проектирования как аппаратных, так и программных средств. Проектирование аппаратных средств требует знания особенностей микропроцессорных комплектов микросхем различных серий и функциональных возможностей микросхем, входящих в состав микропроцессорного комплекта, умения правильно выбрать серию. Проектирование программных средств требует знаний, необходимых для выбора метода и алгоритма решения задач, входящих в функции МП систем, для составления программы (часто с использованием языков низкого уровня -  языка кодовых комбинаций, языка Ассемблера), а также умения использовать средства отладки программ.

       Основой МП системы является микропроцессор - интегральная схема (ИС), обладающая такой же производительностью при переработке информации, что и большая ЭВМ. Более точно - это программно управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление им, построенное, как правило на одной или нескольких БИС. Сегодня микропроцессорная техника - индустриальная отрасль со своей методологией и  средствами проектирования.

       Микропроцессорные БИС относятся к новому классу микросхем, одной из особенностей которого является возможность программного управления работой БИС с помощью определенного набора команд. Эта особенность нашла отражение в программно-аппаратном принципе построения микропроцессорных систем (МС) - цифровых устройств или систем обработки данных, контроля и управления, построенных на базе одного или нескольких микропроцессоров (МП) [1].

       Особую  группу МС с программным управлением  образуют микроЭВМ с хранимым в постоянной памяти прикладным программным обеспечением. Такие системы, встраиваемые в аппаратуру потребителя и предназначенные  для управления ею в реальном масштабе времени, называются программируемыми микроконтроллерами. В настоящее время существует достаточно большое количество микроконтроллеров, которые позволяют производить сбор, контроль и управление одним или несколькими параметрами какого-либо процесса при лабораторных исследованиях, в промышленном производстве и на других объектах. 
 

1. Отстойник горизонтальный

       Отстойник горизонтальный (ОГ) предназначен для  разделения нефтяной эмульсии на основные компоненты (нефть, газ и пластовую воду) нагревом и выдержкой в течение определенного времени при непрерывном технологическом процессе работы.

       ОГ  представлен на рисунке 1. 

       Рисунок 1 – Отстойник горизонтальный 

       Водогазонефтяная  эмульсия подается в отстойник через штуцер поз. 6 подогретой или естественной температуры, а также с реагентом-деэмульсатором или без него в зависимости от физико-химических свойств нефти и поступает в распределитель поз. 6, расположенный в верхней части сепарационного отсека отстойника.

       Через щелевые прорезки из распределителя обводненная нефть поступает на сливные полки поз. 10 и по стенкам стекает в нижнюю

       часть аппарата. При этом из обводненной  нефти выделяется часть газа, находившаяся в ней как в свободном, так  и растворенном состоянии. Выделившийся газ проходит через сепаратор поз. 7, где от него отделяются увлеченные капельки нефти, и через штуцер поз. 4 сбрасывается в сборную сеть.

       Дегазированная  нефть из сепарационного отсека поступает  в два коллектора поз. 25, находящиеся  в отстойном отсеке и расположенные  по его длине. Над коллекторами находятся распределители эмульсии поз. 26, имеющие коробчатую форму. Из коллекторов нефть поступает в коробчатые распределители под уровень пластовой воды в отсеке. При этом происходит промывка эмульсионной нефти через слой пластовой воды и выпадение капель воды в нижнюю часть аппарата. Обезвоженная нефть поступает в сборники поз. 15, расположенные в верхней части отстойного отсека, и через штуцер выводится из аппарата.

       Отделяющаяся  от нефти пластовая вода через  переливное устройство поз. 20 поступает в правую часть отстойника и через штуцер поз. 19 сбрасывается в систему подготовки промысловых сточных вод.

       Горизонтальный  отстойник ОГ-200С оснащен регуляторами межфазных уровней, предохранительными клапанами, приборами контроля параметров технологического процесса, устройством очистки от отложений [2]. 

2. Измерительные приборы

       Датчик  для измерения избыточного давления МЕТРАН-100-ДИ  предназначен для преобразования избыточного давления на входе и  выходе насосных агрегатов, и давления в технологических аппаратах в стандартный токовый сигнал дистанционной передачи.

       Датчик  обеспечивает:

• непрерывную самодиагностику;
• возможность простой  настройки параметров двумя кнопками;
• измеряемые среды: жидкость, пар, газ (в т.ч. газообразный кислород).

       Технические данные:

• диапазон перенастройки 10:1;
• встроенный фильтр радиопомех;
• микропроцессорная электроника;
• простота конструкции, надежность, малые габариты, невысокая стоимость обеспечивают повышенный спрос потребителей;
• диапазон измеряемых давлений: - минимальный 0-0,06 МПа; - максимальный 0-100 МПа;
• выходной сигнал 4-20, 0-5, 0-20 мА;
• температура окружающего воздуха: -40...70°С;
• исполнения: - обыкновенное; - кислородное; - взрывозащищенное (ExiallCTSX, ExibllCTSX, 1 ExdsllBT4/H2X);
• степень защиты от воздействия пыли и воды: - IP55, - IP65 - для датчиков МП [3].

       Регулирование  параметров осуществляется путем автоматического  открытия  и закрытия регулирующих органов по сигналам управляющих  устройств.

       Принцип действия устройства основан на  изменении пропускной способности регулирующего клапана в соответствии с входным электрическим сигналом. Поступающий на электродвигатель электрический командный сигнал посредством редуктора и прямоходной приставки  исполнительного механизма преобразуется в возвратно-поступательное движение штока клапана. Изменения положения штока влечет за собой изменение расхода жидкости  или газа через регулирующий клапан.

       УБЭ-М-Ех (уровнемер буйковый электрический  модернизированный взрывозащищенный), предназначенный для работы в  системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в нефтяной и газовой промышленности. Обеспечивает преобразование измеряемого параметра уровня жидкости или границы раздела двух фаз в стандартный токовый сигнал дистанционной передачи (0-5 А, 0-20 А, 4-20 А).

       При изменении измеряемого уровня происходит изменение гидростатической выталкивающей  силы, действующей на буек. Это изменение  через рычаг передается индуктивный  преобразователь, расположенный в  измерительном блоке, где линейно преобразует выходной токовый сигнал. Данный преобразователь питается от БПД-40.

       Температура контролируемой среды от -50 до 20 °С.

       Класс точности – 0,5, 1,0. 

3. Проектирование  микропроцессорной  системы
1. Структурная схема системы

       Структурная схема системы представлена на рисунке 2.1. 

      Рисунок 2.1 – Структурная схема системы

       Микропроцессорная система состоит из следующих  блоков: микроконтроллера (МК), параллельного программируемого интерфейса (ППИ), аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

       МК формирует шину адреса (ША) и шину данных (ШД).

       ППИ предназначен для подключения внешних устройств.

       АЦП предназначен для преобразования аналогового  сигнала с датчиков в цифровой код.

       ЦАП предназначен для преобразования цифрового кода управления в аналоговый сигнал.

       Программа и данные хранятся в резидентной  памяти контроллера.

2. Проектирования принципиальной схемы системы

       Принципиальная  схема системы представлена в приложении А.

       Центральным блоком системы является микроконтроллер DD1 AT89C2051.

       Данный  микроконтроллер имеет ПЗУ объемом 2 Кбайта и ОЗУ объемом 256 байт [4].

       К выводам XTAL1 и XTAL2 микроконтроллера DD1 подключается кварцевый резонатор ZQ1 на 12 МГц. Для более стабильного запуска выводы кварцевого резонатора соединены с общим проводом через конденсаторы С1 и С2 емкостью 21 пФ.

       При подаче напряжения питания на микроконтроллер  обязателен сброс микроконтроллера. С этой целью вход RST соединен с шиной питания через конденсатор С3 емкостью 6 мкФ и с общим проводом – через резистор R1 сопротивлением 100 кОм. В момент включения питания конденсатор разряжен, и вход сброса оказывается под потенциалом, близким к напряжению питания. Несмотря на снижение этого потенциала вследствие заряда С3, в течение десятка миллисекунд уровень сигнала на входе сброса остается единичным, и осуществляется корректный запуск микроконтроллера [5].

       К порту Р1 подключены микросхемы программируемого параллельного интерфейса (ППИ) DD2 и аналого-цифровой системы (АЦС) DA7.

       К ППИ DD2 подключены ЦАП DA1, DA2 и DA3. Выбор порта производится с помощью линий А0-А1.

       Опрос аналоговых датчиков осуществляется с  помощью аналогово-цифровой системы (АЦС) DA7 со встроенным мультиплексором. Данная система самостоятельно опрашивает датчики, подключенные к входам AIN0-AIN2, преобразует их показания в цифровой код и записывает полученные значения во встроенную память. Микроконтроллер DD1 затем считывает эти данные. Выбор ячейки памяти АЦС осуществляется с помощью линий А0-А1 [6].

       Аналоговые датчики, подключаемые к аналого-цифровой системе DA7, должны иметь выходным параметром напряжение. Для преобразования токовых сигналов датчиков в сигнал напряжения используются резисторы R2-R4.

       Для АЦП-преобразования необходим тактовый сигнал, который формируется генератором DD3. Частота генератора задается емкостью конденсатора C5.

       Для формирования аналогового управления выбраны микросхемы цифро-аналогового преобразователя К572ПА1 (DA1, DA2 и DA3), которые преобразуют код в ток на аналоговом выходе. Для работы в режиме с выходом по напряжению к ЦАП подключаются внешний источник опорного напряжения Uref2 и операционный усилитель 1407УД1 (DA4, DA5 и DA6) с целью создания отрицательной обратной связи, работающей в режиме суммирования токов.

3. Проектирования блок-схемы и кода программы

     Программа хранится в ПЗУ. Алгоритм представлен на рисунке 2.2. 

      Рисунок 2.2 – Блок-схема алгоритма работы основной программы

4. Расчет потребляемой мощности

      Мощность, потребляемая всей системой, определяется как сумма мощностей, которые потребляют все части системы [7].

      Расчет  мощности сведен в таблицу 3.1. 

Таблица 3.1 – Расчет потребляемой мощности

      Система потребляет мощность . 

        Заключение 

      В результате работы была разработана микропроцессорная система контроля параметров отстойника горизонтального на основе микроконтроллера AT89C2051, которая контролирует давление, уровень нефти и уровень воды. 
 

        Список использованных источников

1. Апокин И. А., Майстров Л. Е. Развитие вычислительных машин. – М.: Наука, 1974.
2. www.neftelib.ru
3. www.metran.ru
4. Фрунзе А. В. Микроконтроллер? Это же просто! Т. 2. – М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2002. – 392 с., илл.
5. Фрунзе А. В. Микроконтроллер? Это же просто! Т. 1. – М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2002. – 336 с., илл.
6. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. – М.: Энергоиздат, 1990.-320 с.: ил.
7. Интегральные микросхемы: Справочник. / Под ред. Тарабрина Б.В. - М.: Радио и связь 1983. - 120с.

^{Приложение  А}

^{Принципиальная  схема микропроцессорной  системы контроля}

Рисунок А.1 – Принципиальная схема микропроцессорной  системы контроля

^{Приложение  Б}

^{Текст программы}

^{Приложение В}

^{Спецификация  элементов}

Таблица Б.1 – Цифровые микросхемы