Разработка специализированного контроллера параметров дегазации на вакуум-насосной станции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка специализированного контроллера параметров дегазации на вакуум-насосной станции

метан трубопровод давление

БРЮХАНОВ Д.А., АВДЕЕВ Л.А.

Разрабатываемый специализированный контроллер входит в состав автоматизированной системы контроля параметров метановоздушной смеси в трубопроводах дегазационной вакуум-насосной станции (ВНС). К таким параметрам относятся концентрация метана, давление в трубопроводе, а также скорость (расход) и температура смеси.

Автоматизированная система контроля параметров дегазации (далее система) предназначена для организации автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора ВНС. АРМ представляет собой персональную ЭВМ, в которой функции обработки и хранения информации, а также рабочий интерфейс могут обеспечиваться при помощи SCADA-системы либо с помощью специально разрабатываемого графического приложения.

Основные функции АРМ:

- непрерывный контроль концентрации метана и окиси углерода, а также скорости (расхода), давления и температуры газовой смеси;

- обработка, регистрация и представление оперативной информации о динамике контролируемых параметров в реальном масштабе времени;

- световая и звуковая сигнализация при достижении предельно допустимых режимов работы.

Кроме перечисленных основных функций АРМ, в систему было решено ввести несколько дополнительных функций:

- передачи на АРМ информации о состоянии вакуум-насосов (включен/выключен);

- контроля концентрации метана в машинном зале ВНС для обнаружения опасных утечек;

- управления пускателем проветривающего воздушного вентилятора и сигнальным устройством, предупреждающим об опасности в случае утечки.

Образующие систему средства автоматизации условно можно разделить на средства нижнего, среднего и верхнего уровней. К нижнему уровню относятся: аппаратура контрольно-измерительных станций (КИС), датчик концентрации метана в машинном зале (ДКМ), сигнальное устройство (СУ), а также пускатель воздушного вентилятора (ПВВ) и пускатели вакуум-насосов.

К верхнему уровню относится персональная ЭВМ оператора, включающая специализированное программное обеспечение.

Связь верхнего и нижнего уровней системы должна обеспечиваться при помощи разрабатываемого специализированного контроллера.

Контроллер должен выполнять следующие функции:

- прием и обработку стандартных аналоговых сигналов 4…20 мА постоянного тока минимум с двух контрольно-измерительных станций (концентрация метана, концентрация окиси углерода, абсолютное давление, температура и скорость смеси - 5 сигналов с каждой станции);

- прием и обработку аналогового сигнала 4…20 мА от датчика концентрации метана в машинном зале ВНС;

- прием и обработку дискретных сигналов (сухой контакт) о состоянии минимум восьми вакуум-насосов (включен/выключен) с цепей пускателей;

- телеуправление пускателем воздушного вентилятора и сигнальным устройством по определенному алгоритму в соответствии с сигналом ДКМ;

- светодиодную индикацию состояния цепей аналоговых сигналов, а также состояния тревоги при утечке метана в помещении;

- передачу информации о дискретных и аналоговых входных сигналах, а также о состоянии тревоги в ПЭВМ через последовательный интерфейс по одному из стандартных протоколов обмена информацией.

К разрабатываемому устройству предъявляются следующие технические требования:

- питание контроллера должно осуществляться от сети переменного напряжения 220 В, 50 Гц;

- должна быть обеспечена электрическая изоляция (гальваническая развязка) следующих электрических цепей:

1) искробезопасных цепей аналоговых входных сигналов;

2) цепей дискретных входных сигналов;

3) цепи управления пускателем воздушного вентилятора;

4) цепи управления сигнальным устройством;

5) искроопасных цепей питания контроллера;

- входное сопротивление цепей сигналов 4…20 мА не должно превышать 180 Ом (учитываются максимальное нагрузочное сопротивление датчиков - 200 Ом и сопротивление токоведущих жил кабеля);

- ошибка оцифровки аналоговых сигналов должна быть сведена к минимуму (достаточная точность составляет ±0,1 % от диапазона).

После исследований различных вариантов технических решений по устройству контроллера были приняты следующие положения.

1) Для выполнения функций приема, обработки и выдачи информации было решено использовать микроконтроллер, который должен стать центральным звеном разрабатываемого устройства, координирующим работу всех периферийных узлов.

2) Передачу информации в ПЭВМ наиболее просто аппаратно и программно реализовать через интерфейс RS-232 (COM-порт) в текстовом формате ASCII.

3) Для обработки микроконтроллером аналоговых сигналов требуется их оцифровка, кроме того, необходима гальваническая развязка сигнальных цепей. Для решения этих задач было принято использовать изолированный АЦП последовательным интерфейсом (АЦП с параллельным интерфейсом требует большего количества оптопар и задействованных выводов микроконтроллера).

4) Система требует обработки минимум одиннадцати аналоговых сигналов. Использование отдельного АЦП на каждый канал технически и экономически невыгодно, поэтому было решено использовать одну микросхему АЦП и коммутатор сигналов (аналоговый мультиплексор) для поочередного подключения каналов к измерительному резистору.

5) Исследование характеристик аналоговых мультиплексоров различных типов показало, что сопротивление открытого канала ключей для них обычно составляет сотни Ом, лишь для немногих микросхем оно находится в пределах 50-100 Ом. Это накладывает ограничения на величину сопротивления измерительного резистора и амплитуду сигнала на входе АЦП. Следовательно, для обеспечения требуемой точности необходимо увеличивать разрядность АЦП либо предварительно усиливать сигнал.

В соответствии с принятыми положениями была разработана функциональная схема контроллера (рисунок).

Контроллер рассчитан на прием восьми дискретных сигналов с контактов S1…S8 цепей пускателей вакуум-насосов и шестнадцати аналоговых сигналов 4…20 мА с источников токовых сигналов ИТС1… ИТС16. Первый канал аналоговых сигналов выделен для подключения датчика концентрации метана в машинном зале ДКМ. Остальные каналы предназначены для подключения нормирующих преобразователей контрольно-измерительных станций КИС.

Функциональная схема контроллера

Устройствами вывода для контроллера являются персональная ЭВМ оператора, пускатель воздушного вентилятора ПВВ и сигнальное устройство СУ.

Контроллер включает в себя следующие узлы и элементы.

1) Блок питания БП с несколькими (в том числе изолированными) источниками напряжения. Сложность разработки блока питания заключается в необходимости выбора трансформатора с несколькими обмотками нужного напряжения. Возможно применение импульсного блока питания, но при этом в контроллере должны быть приняты меры борьбы с электромагнитными помехами.

2) Однокристальный микроконтроллер (МК) MICROCHIP PIC16F877A, выбранный по следующим соображениям.

Микроконтроллер имеет 33 канала ввода/вывода (5 двунаправленных портов), что позволяет обеспечить связь с достаточно сложными периферийными устройствами.

МК имеет несколько встроенных модулей, значительно облегчающих реализацию некоторых интерфейсов. МК содержит модуль универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика (USART), который может быть использован для формирования последовательности импульсов интерфейса RS-232. Имеется встроенный модуль ведущего синхронного последовательного порта (MSSP), обеспечивающий поддержку периферийного интерфейса SPI, используемого большинством современных АЦП.

Кроме того, МК обладает достаточным быстродействием и объемами памяти программ и памяти данных (ОЗУ). МК содержит также программируемое ПЗУ (EEPROM).

Программу микроконтроллера планируется написать на языке Си. При ее разработке следует учесть инерционности некоторых элементов контроллера, а также внешних устройств (например, источников сигналов 4…20 мА), которые могут существенно отразиться на результатах работы устройства и точности передачи информации.

3) Узел гальванической развязки дискретных сигналов, выполненный на транзисторных оптопарах. Ток через контакты S1…S8 и излучающие диоды оптопар создается источником изолированного питания ИП+, ИП- блока питания.

4) Узел гальванической развязки аналоговых входных сигналов, включающий в себя узел изолированного коммутатора сигналов (ИКС) и узел изолированного аналого-цифрового преобразователя (ИАЦП).

Узел ИКС состоит из аналогового мультиплексора и схемы оптической изоляции. Управление мультиплексором производится микроконтроллером через четырехразрядную шину адреса. Для передачи гальванически разделенных управляющих сигналов требуется довольно большой ток через излучающие диоды оптопар, поэтому сигналы МК перед этим подаются на транзисторные ключи (система ТК). Достоинством применяемого шестнадцатиканального аналогового мультиплексора ADG406BN является низкое сопротивление открытого канала ключей - 80 Ом при однополярном питании 15 В. Снижение сопротивления до 50 Ом может быть обеспечено при использовании двухполярного питания микросхемы ±15 В.

Узел ИАЦП включает в себя измерительный резистор, фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь и схему изоляции, выполненную на высокоскоростных оптопарах и транзисторных ключах. В зависимости от типа АЦП, возможно, в схеме потребуется внешний источник опорного напряжения и кварцевый резонатор. Наиболее совместимы с микроконтроллером АЦП с последовательным интерфейсом стандарта SPI.

Так как амплитуда входного сигнала АЦП ограничена допустимым сопротивлением каналов 4…20 мА, при сопротивлении измерительного резистора номиналом 10 Ом размах входного напряжения составит 0,16 В. Большинство существующих АЦП работают с опорным напряжением 2,5 В, поэтому для обеспечения требуемой точности преобразования (±0,1 %) необходим АЦП с количеством разрядов не менее 16. Некоторые типы АЦП имеют настраиваемую функцию деления опорного напряжения (усиления сигнала). Для таких АЦП необходимая разрядность может быть меньше.

5) Систему регистров и транзисторных ключей (RG и ТК). Два восьмиразрядных регистра с параллельно соединенными входами используются для сокращения с 16 до 8 числа задействованных выводов микроконтроллера в схеме управления индикационными светодиодами HL1…HL16. Транзисторные ключи служат для усиления мощности выходных сигналов МК.

6) Преобразователь уровней напряжения ПУН 5/±10 В для интерфейса RS-232 (используется микросхема MAX232A).

7) Промежуточное электромагнитное реле K1 (типа РП 23). В случае если концентрация метана в машинном зале превысит пороговое значение 1 % (это соответствует сигналу ДКМ 7,2 мА), реле включается, замыкая своими контактами цепи управления пускателем воздушного вентилятора и сигнальным устройством. При этом загорается красный светодиод тревоги HL17. Сброс тревоги и отключение реле производится автоматически при снижении концентрации с выдержкой времени, а также кнопкой сброса микроконтроллера SB1.

8) Панель светодиодной индикации. Светодиоды HL1…HL16 служат для индикации текущих уровней аналоговых сигналов (изменяется частота моргания светодиодов при постоянной скважности). На панели также располагаются красный светодиод тревоги и светодиод питания.

Кроме источника питания ИП+, ИП-, блок питания должен иметь следующие источники: +24 В - нестабилизированный источник питания электромагнитного реле; +5 В - мощный стабилизированный источник питания; И5В - изолированный источник стабилизированного напряжения для питания изолированной части узла ИАЦП; И15В - изолированный источник питания МОП ключей ИКС (И0В - общая точка источников И5В и И15В).

Различные образцы элементов узла ИАЦП могут иметь существенный разброс характеристик (например, сопротивление измерительного резистора или значение опорного напряжения АЦП). Это должно отразиться на точности преобразования аналоговых сигналов. Для устранения неточности необходимо произвести калибровку изготовленного контроллера. Калибровка производится нажатием кнопки SB2. При этом по первому каналу (канал ДКМ) должен подаваться эталонный ток 12 мА. При нажатии кнопки микроконтроллер сравнивает значение кода, соответствующего сигналу 12 мА с фактическим значением результата аналого-цифрового преобразования и вычисляет смещение младших разрядов. Это смещение используется для последующего приема аналоговых сигналов и записывается в ПЗУ (EEPROM) микроконтроллера (чтобы избежать необходимости повторной калибровки после выключения питания).

Размещено на Allbest.ru