Разработка микропроцессорной системы мониторинга расхода топлива на котельной установке

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Описание объекта

1.2 Обзор и анализ существующих систем

1.3 Характеристика комплекса задач и функции, предъявляемых к системе

1.4 Контроль и представление информации

2. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

2.1 Требования, предъявляемые к системе

2.2 Выбор параметров контроля

2.3 Разработка структурной схемы системы

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ

3.1 Проектирование схемы электрической

3.2 Выбор и характеристика оборудования

4. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОГО БЛОКА

4.1 Выбор метода изготовления и материала печатной платы

4.2 Разработка печатной платы

5. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ

5.1 Средства разработки программного обеспечения

5.2 Разработка алгоритмов работы системы

6. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

6.1 Общая постановка задачи

6.2 Расчет единовременных затрат (инвестиций)

6.3 Расчет годовых текущих издержек

6.4 Расчёт показателей экономической эффективности

6.5 График разработки внедрения системы

7. ОХРАНА ТРУДА

7.1 Разработка технических мероприятий по снижению воздействия опасных и вредных факторов (ОВП) на работу

7.2 Требования к технологическому процессу

7.3 Пожарная безопасность

8. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

8.1 Взаимодействие энергетического предприятия с окружающей средой

8.2 Краткая характеристика загрязняющих атмосферу веществ

8.3 Аэрозольное загрязнение атмосферы

8.4 Проблема контролирования выброса в атмосферу загрязняющих веществ

8.5 Защита атмосферы от загрязнений

8.6 Меры по защите окружающей среды

8.7 Общие данные для расчёта параметров влияющих на окружающую среду при работе котла на мазуте

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы одной из приоритетных задач в Российской Федерации, как и во многих других странах, является обеспечение энергоэффективности и реализация мероприятий по энергосбережению. В связи с этим возникает необходимость создавать системы, позволяющие обеспечивать рациональное потребление энергоресурсов. В частности, управлением котельных установок.

Целью дипломного проекта является проектирование системы мониторинга расхода топлива на котельной установке.

Объектом исследования является водогрейная котельная установка.

Котельная (котельная установка) -- это инженерное сооружение в одном техническом помещении, которое предназначено для нагрева теплоносителя (рабочей жидкости), в основном воды, для использования в системах отопления или тепло-пароснабжения.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Описание объекта

Рассмотрим работу котельной на примере водогрейной котельной установки. В котлах происходит нагрев теплоносителя (в большинстве случаев, воды) для подачи ее потребителю. Установленные насосы способствуют постоянной циркуляции теплоносителя (подача ее потребителю и возврат ее обратно). Вода поступает по трубам в теплоисточник (радиатор, теплые полы, отопительные котлы). В котельной обязательно должна быть предусмотрена регулировка продолжительности работы и температуры теплоносителя. Линия подачи воды потребителя называется прямой линией (или подающей).

Поступив в радиаторы, вода остывает и возвращается обратно. Это является обратной линией котельной.

Модульные котельные установки (транспортабельные и блочные котельные установки) представляют собой один или несколько блок-модулей (в зависимости от необходимой тепловой мощности) с установленным внутренним технологическим оборудованием и оборудованием для подключения к инженерным сетям. Такие котельные поставляются в полной заводской готовности.

Блочно-модульная котельная состоит из:

- Здание котельной.

- Котельное оборудование (котлы).

- Горелки.

- Газовое оборудование.

- Насосное оборудование.

- Теплообменная система котельной.

- Системы автоматизации, связи и сигнализации, контроля и пожарной безопасности.

- Системы водоочистки и водоподготовки.

- Мембранный расширительный бак.

- Газоходы и дымовые трубы.

1.2 Обзор и анализ существующих систем

В зависимости от исполнения котельные подразделяются на:

- Стационарные котельные;

- Модульные (транспортабельные) котельные;

- Крышные котельные;

- Передвижные котельные на шасси.

Схема и характеристики котельной установки зависят от нескольких факторов:

- необходимой тепловой мощности,

- используемого топлива (природный газ, сжиженные газ, попутный нефтяной газ, мазут, дизельное топливо, отработанное масло, уголь, кокс, многотопливные котельные),

- назначения котельной установки (отопительные или промышленные котельные).

Тип топлива является самым главным критерием для дальнейшего подбора оборудования, а именно котлов и горелок.

В зависимости от топлива можно выделить:

- газовые котельные,

- дизельные котельные,

- нефтяные котельные,

- мазутные котельные,

- твердотопливные котельные.

В состав подобных систем обычно входят непосредственно датчики, соответствующие реле и интеллектуальные переключатели.

Все эти устройства объединены в единую сеть посредством разнообразных проводных или беспроводных интерфейсов. Управление в таких системах может осуществляться локально (переключатели расположенные на стенах либо в электрощитах), или интеллектуально и дистанционно или посредством центрального автоматизированного рабочего места (АРМ) на базе компьютерной системы.

1.3 Характеристика комплекса задач и функции, предъявляемых к системе

Основные требования к проектированию и строительству котельных с давлением пара не более 3,9 МПа (40 кгс/см2) и с температурой воды не более 200°С собраны в своде правил СП 89.13330.2012 "Котельные установки. Актуализированная редакция СНиП II-35-76".

В соответствии с вышеуказанным нормативным документом все котельные установки делятся на две категории:

- категория I - котельные установки, которые являются единственным источником тепловой энергии или которые обеспечивают тепловой энергией потребителей без индивидуальных резервных источников тепла;

- категория II - котельные установки, не относящиеся к первой категории.

Блок-модуль котельной.

Здание транспортабельной котельной представляет собой блок-модуль (контейнерный модуль). Это одноэтажная каркасная конструкция из негорючих материалов для обеспечения пожарной безопасности и высокой огнестойкости. Необходимая мощность котельной определяет количество модулей каркасного типа, их габаритные размеры (см. ГОСТ 23838-89 "Здания предприятий. Параметры"). В случае возможности установки всего оборудования в один блок-бокс, завод-изготовитель котельной может порекомендовать предусмотреть одно или несколько алюминиевых окон или стальных дверных проемов.

Здание модульной котельной является сварной каркасной конструкцией с основанием в виде платформы, за счет которой увеличивается прочность конструкции и способность ее сопротивляться ветровым и снеговым нагрузкам. Стальные швеллеры служат основой стоек, балок и прогонов каркаса. Прокатные швеллеры или уголки используются для балок пола. В качестве ограждающих конструкций блок-модуль обшиваются сэндвич-панелями из листов рифленой стали. Крышу котельной традиционно делают одно- или двускатную.

Устройство теплоизоляции здания котельной (утеплитель, подшивка) позволяет эксплуатировать котельную при низки температурах. Также все металлоконструкции должны пройти антикоррозионную обработку.

При проектировании здания котельной следует учитывать требования к взрывопожарной безопасности и огнестойкости сооружения в соответствии с СП 12.13130.2009 "Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности (с Изменением N 1)".

Котельное оборудование.

Котлы являются одним из важных элементов котельных установок. Именно в них происходит нагрев теплоносителя или получение пара.

В соответствии с "Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов" различают водогрейные, паровые и пароводогрейные котлы. Теплоноситель для котельных (вода или пар) образовывается за счет получаемой тепловой энергии от сжигания топлива (в случае газовых, твердотопливных и жидкотопливных котлов) или за счет преобразования электроэнергии в тепловую (в случае электрических котлов). Корпус котла изготавливается из чугуна или из стали в зависимости от используемого вида топлива. Например, в случае использования твердого топлива на стальных стенках котла происходит отложение серы, из-за чего срок службы котла сокращается. Выходом из этого может стать использование чугунных котлов, но они тоже обладают одним недостатком: являются слишком большими и громоздкими.

При выборе вида и количество котлов производятся технико-экономические расчеты, для которых учитываются следующие факторы:

- производительность котлов и котельной в целом;

- обеспечение стабильности в работе котлов при минимальной нагрузке в теплый период года;

- количество потребителей;

- расстояние доставки теплоносителя до конечного потребителя;

- требования к КПД котла;

- вид топлива и его химические характеристики (твердое топливо, газ, электричество);

- автоматизация работы котельной и ее степень;

- габаритные размеры котла;

- прочность котла;

- возможность очистки, промывки и ремонта котла.

При выборе количества котлов следует помнить пп. 4.8. и 4.14. СП 89.13330.2012, в соответствии с которыми минимальное количество котлов определяется категорией котельной: в котельных первой категории устанавливается минимально два котла, в котельных второй категории - один котел.

Горелки.

Одним из важных рабочих элементов котельной является горелка (кроме электрических котлов). Функциями любых горелок (газовых, дизельных) являются подготовка, смешение топлива и воздуха и сжигание полученной горючей смеси в камере сгорания котла, за счет чего происходит нагрев теплоносителя в котле.

Выбор конструкции и типа горелки осуществляется на основании используемого топлива (жидкого топлива или газа), а также анализа требований к мощности и производительности котла, размерам камеры сгорания котла, диапазону и типу регулирования горелки. Так, газовые горелки бывают одноступенчатыми, двуступенчатыми (с возможностью работать в двух режимах), плавно-двухступенчатые (работают в диапазоне заданных режимов) и модулируемые горелки (работают в диапазоне мощностей от 10 до 100%).

Газовое оборудование для котельных.

К газовому оборудованию котельных относятся:

- газорегуляторные установки ГРУ;

- газорегуляторные пункты ГРП;

- регуляторы давления газа;

- газовые фильтры;

- запорная и предохранительная арматура;

- контрольно-измерительное оборудование (счетчики, датчики, манометры, термометры, напорометры).

Требования к использованию газового оборудования достаточно строгие из-за повышенной горючести газа. Их (требования) Вы можете посмотреть в СП 89.13330.2012 "Котельные установки. Актуализированная редакция СНиП II-35-76". Согласно им, установки ГРУ устанавливаются в здании котельной, а пункты ГРП на площадке котельной. Также, если каждый котел имеет тепловую мощность более 30 МВт, рекомендуется предусматривать две линии редуцирования (т.е. дублирующая нитка редуцирования включается только в случае выхода из строя основной линии редуцирования). Если тепловая мощность котлов в котельной менее 30 МВт, возможна установка одной линии редуцирования (кроме котельных I категории).

Количество трубопроводов подачи газа также регламентируется Сводами Правил СП 89.13330.2012: в котельных I категории мощностью до 30 МВт, которые работают только на газе, газ от ГРУ или ГРП может поступать от двух трубопроводов; в котельных II категории - от одного.

Регуляторы давления газа необходимы для регулирования давления поставляемого газа вне зависимости от расхода: обычно регуляторы давления понижают давление газа.

Фильтры толстой и тонкой очистки газа необходимы для фильтрации газа от примесей, твердых частиц и вкраплений, которые могут засорить трубопроводы, снизить производительность котлов и уменьшить срок службы оборудования.

Запорная и предохранительная арматура устанавливается на газовой линии котельной также для нормальной и безопасной эксплуатации газового оборудования. Основными элементами такой арматуры являются запорные и термозапорные клапаны, контрольные клапаны, обратные клапаны, предохранительные клапаны, задвижки.

Насосное оборудование котельных.

Насосы необходимы для равномерной подачи теплоносителя и его отпуска, транспортировки теплоносителя по трубам к тепловому источнику и циркуляции теплоносителя. В зависимости от специфики котельной и используемого котельного оборудования выбирается тип и конструкция насоса (см. СП 89.13330.2012). Конструктивно насосы изготавливаются и поставляются с паровым или электроприводом. По типу насосы бывают сетевые (для циркуляции теплоносителя в системе), питательные (для подачи воды к котлам), циркуляционные (для обеспечения заданного напора воды у потребителя), антиконденсационные и подпиточные (для восполнения системы водой из внешних источников) насосы. Количество насосов рассчитывается исходя из производительности котельной. При этом в некоторых случаях обязательна установка резервного насоса.

Теплообменная система котельной.

Система ГВС котельной состоит из теплообменников, обычно пластинчатых, и водоподогревателей (паровых, водяных, пароводяных). Теплообменное оборудование необходимо для подогрева нагреваемой воды от горячей среды.

Количество водоподогревателей рассчитывается для каждой системы котельной (системы вентиляции, системы отопления) и в зависимости от необходимых параметров отпускаемой воды/пара.

Автоматизация котельных установок, системы связи, сигнализации, контроля и пожарной безопасности

Особенностью котельных (котельных установок) является полностью автоматизированная работа котельной без постоянного присутствия персонала, но под постоянной диспетчеризацией и контролем посредством вывода информации о параметрах работы котельной на дистанционном пульте управления.

В случае аварийных ситуаций (прекращение подачи топлива к горелкам, понижение/повышение давления воды/пара/масла, повышение/понижение уровня воды, исчезновение электрического напряжения, повышение/понижение температуры воды/масла на выходе и т.п.) информация о них поступает на пульт управления котельной. Для оповещения о поломке оборудования должна быть предусмотрена система сигнализации (звукая, световая). При этом автоматически происходит отключение вышедшего из строя оборудования и ввод в работу резервного оборудования. Регулирование параметров работы котельной должно осуществляться автоматически, если эти параметры выходят за рамки заданных.

Случаи сигнализации, оповещения и регулирования приведены в СП 89.13330.2012.

Водоподготовка котельных установок, водоочистка.

Система водоподготовки в котельных необходима для очистки воды перед поступлением в котлы или тепловые сети от механических примесей и растворенных загрязнителей, деминералиции и умягчения. Это предотвращает образование накипи на котельном оборудовании, образование коррозии и вспенивание котловой воды и унос солей с паром. Для подготовки воды используется несколько методов: механическая фильтрация и нанофильтрация, обратный осмос, известкование, ультрафильтрация, дехлорирование, натрий-катионирование и др.

Вода и пар, используемая в котельной, должна отвечать требованиям:

- ГОСТа 2761-84 "Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора".

- СанПиН 2.1.4.1074-01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения".

- ПБ 10-574-03 "Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов".

- ГОСТ 20995-75 "Котлы паровые стационарные давлением до 3,9 МПа. Показатели качества питательной воды и пара"

Среди оборудования, используемого в системах водоподготовки, можно назвать: фильтры, установки обезжелезивания, установка умягчения, вихревые реакторы для реагентного умягчения и т.п.

Выбор водоподготовительных установок должен соответствовать требованиям СП 31.13330.2012 "Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84".

Расширительный мембранный бак.

Расширительные баки необходимы в составе котельных, так как они предотвращают повышение давления воды (при подогреве воды происходит ее расширение и, соответственно, увеличение ее объема), возможность гидроудара и компенсируют ее объем. Баки также удаляют образовавшийся воздух в результате нагрева теплоносителя. Для выполнения этих функций в котельной устанавливают расширительные баки для разных систем: расширительный бак отопления и расширительный бак горячего водоснабжения.

Конструктивно мембранные баки для отопления и водоснабжения схожи. Они представляют собой вертикальный или горизонтальный цилиндрический или прямоугольный бак, с установленной внутри эластичной мембраной. Эта мембрана разделяет расширительный бак на воздушный и жидкостный отсеки. Принцип работы мембранного бака заключается в том, что излишки воды в системе при ее нагревании попадают в бак. Эту воду можно использовать для водоснабжения и водоподготовки, подавая ее в систему под нужным давлением.

Материал расширительных баков для системы отопления должен быть более устойчивым к высоким температурам. Расширительные баки для систем водоснабжения должны быть сделаны из эластичного материала, чтобы выдерживать большие перепады давления.

Дымовые трубы и газоходы.

Дымовые трубы и газоходы относятся к системе дымоудаления (газоотвода) котельных установок. В случае затрудненного естественного рассеивания отработанных газов и дыма (в случае отсутствия естественной тяги) строятся дымовые трубы разных конструкций. Газоходы же тянутся от котлов и крепятся перпендикулярно к дымовым трубам.

Дымовые трубы бывают следующих конструкций:

- дымовая труба на ферме;

- дымовая труба на растяжках;

- дымовая труба на мачте;

- фасадная дымовая труба;

- самонесущая дымовая труба.

Кроме того, в конструкцию одной дымовой трубы может входить несколько вертикальных газоходов.

Материал, высота, диаметр и метод крепления трубы определяются исходя из мощности котельной и на основании аэродинамических подсчетов газового тракта, скорости газа, требований к устойчивости конструкции (в соответствии с требованиями СП 43.13330.2012 "Сооружения промышленных предприятий. Актуализированная редакция СНиП 2.09.03-85").

На котельных установках также устанавливается вспомогательное оборудование для надежной эксплуатации котлов и всей системы в целом. Комплект вспомогательного оборудования зависит от вида используемого топлива, от мощности и от технико-экономических требований.

Вспомогательное оборудование включает в себя:

- деаэраторы (вакуумные, атмосферного давления, химические, термические);

- водоподогреватель (бойлер);

- баки-аккумуляторы и др.

1.4 Контроль и представление информации

Системой мониторинга расхода топлива на котельной установке будут контролироваться параметры пара и питательной воды, содержание СO2 в газах, температура и разрежение по газовому тракту, коэффициент избытка воздуха.

Главная особенность МПС -- возможность программирования логики работы. Поэтому МПС используются для управления процессом системы мониторинга расхода топлива на котельной установке(с реализацией алгоритма управления), обработки опытных данных, хранения и вывода результатов измерения и пр.

Рассмотрим основные требования к разрабатываемой системе, которые возможно предъявить за счет преимуществ микропроцессорных средств управления:

- многофункциональность;

- повышение точности;

- уменьшение влияния случайных погрешностей;

- компенсация внутренних шумов и повышение чувствительности;

- расширение измерительных возможностей;

- упрощение и облегчение управления приборами.

Внедрение микропроцессоров позволяет строить многофункциональные системы с гибкими программами работы, делает приборы более экономическими, облегчает решение задачи выходу на стандартную интерфейсную шину. Все это упрощает эксплуатацию приборов системы и системы в целом и резко повышает производительность работы их пользователей.

Функциональные возможности такой определяются выполняемой программой, они видоизменяются путем перехода к другой программе. Программированная логика работы позволяет наращивать функции при модернизации отдельных компонентов системы без существенных перемен в его схеме.

Микропроцессорная система, которая входит в состав микропроцессорной системы мониторинга расхода топлива на котельной установке, позволяет накапливать результаты многократных наблюдений и обрабатывать их за определенным алгоритмом.

При включении в состав микропроцессорной системы дополнительных приборов и устройств, она автоматически согласно заданной программе выбирает режим измерений, запоминает результаты прямых измерений, проводит необходимые вычисления и отображает найденное значение измеренной физической величины. Хотя измерение по своей природе, остаются косвенными.

Еще более эффективные микропроцессорные системы при совокупных измерениях, то есть одновременного измерения нескольких одноименных физических величин, при которых искомые значения величин исчисляются путем решением системы уравнений, которые получают при прямых измерениях разных объединений этих величин.

2. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

2.1 Требования, предъявляемые к системе

Котел должен быть оборудован необходимым количеством контрольно-измерительных приборов, автоматической системой регулирования важнейших параметров котла, защитными устройствами, блокировкой и сигнализацией.

Режимы работы котла должны соответствовать режимной карте, в которой указываются рекомендуемые технологические и экономические показатели его работы: параметры пара и питательной воды, содержание СO2 в газах, температура и разрежение по газовому тракту, коэффициент избытка воздуха и т.п.

2.2 Выбор параметров контроля

Системой мониторинга расхода топлива на котельной установке будут контролироваться параметры пара и питательной воды, содержание СO2 в газах, температура и разрежение по газовому тракту, коэффициент избытка воздуха.

Система мониторинга расхода топлива на котельной установке включает:

- двуимпульсный регулятор по уровню воды и расходу пара;

- датчики изменения уровня воды;

- регулятор температуры пара;

- датчики изменения температуры пара;

- датчиком изменения давления пара;

- регулятор изменения давления пара;

- регуляторами подачи топлива;

- регуляторами подачи воздуха;

- регуляторами подачи тяги;

- датчик изменения разрежения.

Система мониторинга расхода топлива на котельной установке включает регулирование подачи воды, температуры перегретого пара и процесса горения. При регулировании питания котла обеспечивается соответствие между расходами воды, подаваемой в котел, и вырабатываемого пара, что характеризуется постоянством уровня воды в барабане.

Регулирование питания котлов малой производительности осуществляется одноимпульсными регуляторами, управляемыми датчиками изменения уровня воды в барабане.

В котлах средней и большой паропроизводительности с малым водяным объемом применяются двухимпульсные регуляторы питания котла по уровню воды и расходу пара, а также трехимпульсные. Управляющие питанием котла по уровню воды, расходу пара и перепаду давлений на регулирующем клапане.

Регулирование температуры пара осуществляется регулятором, управляемым датчиками изменения температуры перегретого пара на выходе из пароперегревателя, изменения температуры пара в промежуточном коллекторе пароперегревателя и изменения температуры газов в газоходе пароперегревателя, а иногда еще датчиком изменения давления пара.

Регулирование процесса горения в топке котла (в соответствии с расходом пара) осуществляется регуляторами подачи топлива, воздуха и регулятором тяги.

Регуляторы подачи топлива и воздуха управляются датчиком изменения давления перегретого пара, а регулятор тяги - датчиком изменения разрежения в топке котла.

2.3 Разработка структурной схемы системы

Микропроцессорная система мониторинга расхода топлива на котельной установке включает микроконтроллер (МК), который, взаимодействуя с датчиками, получает информацию от объекта управления, обрабатывает ее в соответствии с заложенным алгоритмом и выдает управляющие воздействия на исполнительные устройства.

Взаимодействие микроконтроллера с датчиками и исполнительными устройствами определяется соответствующими протоколами обмена, учитывающими особенности функционирования системы в целом и требования программно-аппаратной и схемотехнической совместимости с другими устройствами и системами.

Рисунок 2.1 Структура микропроцессорной системы мониторинга расхода топлива на котельной установке

Система включает следующие блоки:

- двуимпульсный регулятор по уровню воды и расходу пара;

- датчики изменения уровня воды;

- регулятор температуры пара;

- датчики изменения температуры пара;

- датчиком изменения давления пара;

- регулятор изменения давления пара;

- регуляторами подачи топлива;

- регуляторами подачи воздуха;

- регуляторами подачи тяги;

- датчик изменения разрежения.

МК является центральным блоком микропроцессорной системы (рисунок 2.1). Он управляет исполнительными устройствами и производит обработку данных с соответствующих датчиков.

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ

3.1 Проектирование схемы электрической

ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

Схема включает в себе блок регулятора изменения температуры пара (А1), блок регулятора изменения давления пара (А2), блок регулятора подачи топлива (А3), блок регулятора подачи воздуха (А4), блок регулятора подачи тяги (А5), излучатель звука (A6), блок регулятора разряжения (А7), блок мониторинга расхода топлива (А8), светодиодные индикаторы (VD1-VD6), LCD дисплей (A8), панель сигнализаторов (А10), панель управления (А11), блок питания (GB1), кнопки управления (переключатели) (SB1-SB4).

Схема работает следующим образом: приборы для измерений осуществляют измерение и контроль параметров измеряемого полупроводникового элемента, микроконтроллер собирает, обрабатывает и выводит информацию получаемую с приборов для измерений на LCD дисплей, а также управляет светодиодной индикаций и излучателем звука, кроме прочего сохраняет информацию о неисправностях в память, светодиодные индикаторы сигнализируют о критических отклонениях контролируемых параметров, излучатель звука издает звуковые сигналы для привлечения внимания к горящим светодиодным индикаторам.

Питание схемы 220 В обеспечивается блоком питания.

В состав блоков регуляторов изменения давления, разреженности входят преобразователи измерительные взрывозащищенные избыточного давления Сапфир-22ДИ-Вн и давления-разряжения Сапфир-22ДИВ-Вн соответственно.

Они предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемого параметра жидких и газообразных нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.

Преобразователи разности давлений при работе с блоком извлечения корняБКП-36 могут использоваться для получения линейной зависимости междувыходным сигналом и измеряемым расходом.

Схема электрическая принципиальная общая системы мониторинга расхода топлива на котельной установке приведена.

Также схема электрическая принципиальная общая системы измерителя характеристик полупроводниковых приборов приведена в графической части дипломной работы на листе МРТ 00.00.000 Э3.

Схема электрическая принципиальная электронного блока мониторинга расхода топлива на котельной установке изображена на рисунке 3.2 и в графической части дипломной работы на листе МРТ 00.10.000 Э3.

Сопряжение с излучателем звука.

Подача напряжения питания на излучатель звука осуществляется через транзистор VT1. Так как ток, протекающий через излучатель, составляет примерно 40 - 50 мА, то транзистор должен допускать ток коллектора не менее 50 мА, был выбран КТ3102.

Схема сопряжения с приборами для измерений.

Для формирования сигналов с приборов для измерений служит схема усилителя-ограничителя на операционном усилителе LM358J. Уровень входного сигнала ограничивается схемой на элементах R4, VD4, R19 до порога 4,7В, операционный усилитель в данном случае работает как компаратор. Такая схема из любого сигнала на входе формирует на выходе сигналы прямоугольной формы. Дополнительным фильтром служит конденсатор С7 на вход. Резистором задается R21 гистерезис переключения компаратора.

Для разработки схем была выбрана программа Компас3D-V15.

Необходимой принадлежностью разрабатываемой в работе схемы изделия является перечень элементов, в который записывают данные об элементах и устройствах, изображенных на схеме. Допускается все сведения об элементах помещать рядом с их изображением на свободном поле схемы. Связь между условными графическими обозначениями и перечнем элементов осуществляется через позиционные обозначения.

Разработанные перечни элементов для схемы электрической принципиальной общей системы мониторинга расхода топлива на котельной установке представлен на листе МРТ 00.00.000 ПЭ3, для схемы блока мониторинга расхода топлива на котельной установке представлен на листе МРТ 00.10.000 ПЭ3. Перечни разработаны в Компас3D-V15.

3.2 Выбор и характеристика оборудования

Выбор микроконтроллера. Одним из основных критериев при выборе МП является быстродействие. Так как к проектируемой системе не предъявляются высокие требования, то можно выбрать микропроцессор со средним быстродействием. Выберем микроконтроллер фирмы Atmel - AVR ATmega 32.

Микроконтроллеры AVR семейства Mega производятся с использованием высококачественных КМОП-технологий и отличаются от других микроконтроллеров тем, что они потребляют меньше энергии, работая при этом на высоких частотах.

В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины доступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная память и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.

Память программ предназначена для хранения оследовательности команд, управляющих функционированием МК, и имеет 32-ти битную организацию. В микроконтроллере ATmega32 32 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-SystemSelf-ProgrammableFlash). Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т. е. допускает 1000 циклов стирания/записи информации.

Периферия микроконтроллера включает два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения, один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения, счетчик реального времени с отдельным генератором, программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором, аналоговый компаратор. 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь может работать в двух режимах: режиме однократного преобразования и режиме циклического преобразования.

Четырехпроводной интерфейс JTAG используется для тестирования печатных плат, внутрисхемной отладки, программирования микроконтроллеров.

Порты ATmega32 имеют 32 программируемые линии ввода/вывода. Каждая линия порта может быть запрограммирована на вход или на выход.

Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА (все значения приведены для напряжения питания 5 В).

Система прерываний - одна из важнейших частей микроконтроллера. Все микроконтроллеры AVR имеют многоуровневую систему прерываний. Прерывание прекращает нормальный ход программы для выполнения приоритетной задачи, определяемой внутренним или внешним событием.

Еще одним немаловажным фактором в выборе микроконтроллера семейства AVR - это возможность писать программы на языке высокого уровня. Для того, чтобы писать программы на Cи для AVR или для любого другого микроконтроллера, мы должны иметь компилятор для данного MК. Как правило, эти компиляторы стоят дорого. Интегрированная среда разработки WinAVR включает мощные компиляторы Си и ассемблера, программатор AVRDUDE, отладчик, симулятор и множество других вспомогательных программ и утилит. WinAVR прекрасно интегрируется с бесплатной средой разработки AVR Studio, которую предоставляет фирма Atmel. На сайте Atmel доступен мощный бесплатный компилятор ассемблера, который входит в среду разработки AVR Studio, работающую под Windows. Наряду с компилятором, среда разработки содержит отладчик и эмулятор.

Компиляторы Си и Ассемблера имеют возможность создания отладочных файлов в формате COFF, что позволяет применять не только встроенные средства, но и использовать мощный симулятор AVR Studio. Еще одним достоинством является то, что WinAVR распространяется свободно без ограничений (производители поддерживают GNU GeneralPublicLicense).

Отличительные особенности:

· Высокопроизводительные маломощные 8-битные микроконтроллеры из семейства AVR;

· Прогрессивная RISC-архитектура;

· Эффективный набор из 131 инструкции, большинство которых выполняются за один цикл синхронизации;

· 32 x 8 рабочих регистров общего назначения;

· Полностью статическая работа;

· Производительность до 1 MIPS/МГц;

· Встроенное двухтактное умножающее устройство;

· Память данных и энергонезависимая память программ;

· 32кбайт/64кбайт внутрисистемно-программируемой флэш-памяти;

· Износостойкость: 10 тыс. циклов чтения/записи;

· Опциональный сектор загрузочного кода с отдельными битами защиты;

· Внутрисистемное программирование под управлением загрузочной программы;

· Действительная поддержка чтения во время записи;

· Внутрисистемно-программируемое ЭСППЗУ размером 1024/2048 байт;

· Износостойкость 50 тыс. циклов записи/стирания;

· Программируемая защита флэш-памяти и ЭСППЗУ;

· 2048/4096 байт внутреннего статического ОЗУ;

· Встроенный отладочный интерфейс (debugWIRE);

· Особенности встроенных устройств ввода-вывода;

· Один 12-битный высокобыстродействующий контроллер силового каскада (PSC) (только для ATmega32/64M1);

· Неперекрывающиеся противофазные ШИМ-выходы с конфигурируемой паузой неперекрытия;

· Программируемый коэффициент заполнения импульсов и частота;

· Синхронное обновление всех ШИМ-регистров;

· Функция автоматической остановки при аварийной ситуации;

· Один 8-битный таймер-счетчик общего назначения с отдельным предделителем, режимами сравнения и захвата;

· Один 16-битный таймер-счетчик общего назначения с отдельным предделителем, режимами сравнения и захвата;

· CAN 2.0A/B с 6 объектами сообщений;

· Контроллер LIN 2.1 и 1.3 или 8-битный УАПП;

· Один ведущий/подчиненный последовательный интерфейс SPI;

· 10-битный АЦП;

· До 11 несимметричных каналов и 3 полностью дифференциальных канала;

· Программируемый коэффициент усиления (5x, 10x, 20x, 40x) в каждом из дифференциальных каналов;

· Встроенный ИОН;

· Измерение напряжения питания;

· 10-битный ЦАП для реализации регулируемого ИОН (для компараторов, АЦП);

· Четыре аналоговых компаратора с переменным порогом срабатывания;

· Источник тока 100 мкА ±2% (для идентификации LIN-узла);

· Прерывание и возобновление работы по изменению состояния на выводах;

· Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором;

· Встроенный датчик температуры;

· Специальные функции микроконтроллера;

· Экономичные режимы работы: холостой ход (Idle), снижение шума (NoiseReduction) и отключение (PowerDown);

· Сброс при подаче питания и программируемая схема сброса при снижении напряжения питания;

· Внутрисистемное программирование через порт SPI;

· Высокоточный кварцевый генератор для шины CAN (16 МГц);

· Встроенный калиброванный RC-генератор (8 МГц);

· Встроенная схема ФАПЧ для высокочастотной синхронизации ШИМ-контроллера ( 32 МГц, 64 МГц) и ЦПУ (16 МГц);

· Рабочее напряжение: 2.7…5.5 В;

· Расширенный рабочий температурный диапазон: -40°C…+125°C;

· Градации по быстродействию: 0…8 МГц/2.7…4.5 В; 0…16 МГц/4.5…5.5 В;

Структурная схема микроконтроллера приведена на рисунке 3.3.



Рисунок 3.3 Структурная схема микроконтроллера.

Выбор резисторов. Выбранная в качестве базиса разработки схема принципиальная электрическая микропроцессорного измерителя характеристик полупроводниковых приборов не содержит особых указаний, касающихся точности и мощности рассеяния резисторов. Т. к. в цепях схемы не будет наблюдаться большого разброса по значению протекающих через элементы токов и напряжений, то с целью снижения стоимости производства можно применять резисторы одного типа с одинаковой рассеиваемой мощностью. Возьмем наиболее распространенные в промышленном производстве безвыводные резисторы общего применения Р1-12 и переменные непроволочные подстроечные резисторы СП3-19.

Резисторы данного типа рассчитаны на работу при температуре окружающей среды от -60 °С до +70 °С и относительной влажности - до 98% при +35 °С, что удовлетворяет техническому заданию. Номинальную мощность рассеяния выберем исходя из того, что напряжение питания 12В, а ток 50 мА. На всех элементах рассеиваемая мощность должна составлять 0,125-0,25 Вт. Возьмем резисторы, имеющие номинальную мощность рассеяния 0,125. Начальные сопротивления всех резисторов прибора соответствуют стандартному ряду Е24. Допуски на сопротивления ±5%, ±10% с целью снижения стоимости конструкции (это допустимо по причине любительского использования прибора).

Выбор конденсаторов. Схема электрическая принципиальная устройства требует использования в сборке полярных электролитических конденсаторов. Как наиболее распространенные выберем конденсаторы типа К50-35 или К50-68, которые являются взаимозаменяемыми. Но более предпочтительными являются конденсаторы типа К50-35 по причине их меньших габаритов. Поэтому в сборке будут использоваться конденсаторы типа К50-35. Это - оксидно-электролитические алюминиевые конденсаторы. Они предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего напряжений, отличаются большими потерями, невысокой стабильностью параметров. Они выбраны как наиболее распространенные и обладающие сравнительно небольшими габаритами. Параметры эксплуатации конденсаторов соответствуют заданным в техническом задании (температура от -40 до +70 °С), номинальная наработка - 5000 часов. Остальные конденсаторы, входящие в схему, являются неполярными. Также в схема задействованы конденсаторы К73-17. Этот тип конденсаторов распространен, имеет малые габариты и массу. Диапазон рабочих температур от -60 до 125 °С.

Выбор других элементов. В данном устройстве применяются, преимущественно, распространенные, не дорогие и с оптимальными показателями качества радиокомпоненты. Таковыми являются, светодиоды, индуктивность и микросхемы. Индуктивность выбираем EC 15 нГн ± 5% (0402).

Критерием выбора является распространенность и не высокая стоимость. Исходя из тех же соображений, выбираем кнопочный выключатель. Кнопочный выключатель, также, вполне соответствует требованию современности дизайна корпуса. Разъемы выбираются, также, в соответствии с их назначением. Выбираем разъемы CONN-SILL-16, CONN-SILL-18. Еще один тип компонентов, который, помимо всего прочего, должен соответствовать требованию современности дизайна корпуса, - индикаторы. Сейчас доступны в продаже жидкокристаллические индикаторы. В настоящее время жидкокристаллические индикаторы являются наиболее распространённым видом индикаторов. Хотя сами жидкие кристаллы (ЖК) были известны химикам еще с 1888 г., но только 1960-х годов началось их практическое использование. В 1990 г. Де Жен получил Нобелевскую премию за теорию жидких молекулярных кристаллов. Обычно жидкокристаллический дисплей представляет собой стеклянную кювету толщиной меньше 20 мкм, в которую помещен жидкий кристалл. Направление молекул жидкого кристалла может быть задано обработкой поверхностей кюветы таким образом, чтобы молекулы ЖК выстраивались в определенном направлении - параллельно плоскости кюветы или перпендикулярно к ней.

Один из способов обработки поверхности заключается в нанесении на нее тонкого слоя твердого полимера и последующего «натирания» его в одном направлении. Используя различные ориентации направления молекул жидкого кристалла первоначально с помощью поверхностного упорядочения, а затем с помощью электрического поля, можно сконструировать простейший дисплей. Жидкокристаллический дисплей состоит из несколько слоев, где ключевую роль играют две стеклянные панели, между которыми помещён жидкий кристалл. Жидкокристаллические индикаторы используются в двух режимах работы: в режиме отражения света и в режиме просвечивания. Наиболее экономичный режим использования жидкокристаллического индикатора - это режим отражения. В этом режиме используются внешние источники света, такие как солнце или осветительные лампы помещения. Сами жидкокристаллические индикаторы ток практически не потребляют. При использовании режима отражения прозрачным оставляют весь дисплей. Информация же формируется непрозрачными участками жидкого кристалла, образующимися между электродами при подаче на них переменного напряжения. В режиме просвечивания возможны два вида использования жидкокристаллического дисплея: формирование обычного изображения как и в режиме отражения и формирование негативного изображения. В режиме негативного изображения весь дисплей остаётся непрозрачным, а свет проходит только через участки изображения, которые в этом случае кажутся нарисованными краской. Негативный режим формируется поляризационными плёнками с совпадающей поляризацией. Для подсветки жидкокристаллического индикатора обычно используется газоразрядные лампы или светодиоды, так как эти источники света не выделяют тепла, способного вывести из строя жидкокристаллический индикатор. Для равномерного распределения света под светодиодными индикаторами используются светопроводы, выполненные из рассеивающих свет материалов. Важным параметром индикатора является время релаксации - время, необходимое для возвращения молекул жидкого кристалла в исходное состояние после выключения поля. Оно определяется поворотом молекул и составляет 30-50 мс.

Такое время достаточно для работы различных индикаторов, но на несколько порядков превышает время, необходимое для работы компьютерного монитора. Время релаксации резко зависит от температуры жидкокристаллического индикатора. Не менее важным параметром жидкокристаллического индикатора является контрастность изображения. При нормальной температуре контрастность изображения достигает нескольких сотен. При повышении температуры контрастность изображения падает и при температуре порядка +50°C изображение становится практически неразличимым. Как было уже сказано, разрабатываемое устройство должно обладать высокой надежностью, сравнительно низкой стоимостью и современным дизайном, а также распространенностью, которая позволит облегчить замену деталей в случае возникновения неисправности. Этим требованиям как нельзя лучше соответствуют светодиодные сегментные индикаторы.

Выберем LCD дисплей Winstar WH2004. Дисплей имеет 20 символов на 4 строки.

Выбираем излучатель звука HPM14AX. Монтаж штыревой. Преобразует электрический сигнал в звуковой. Рабочая температура: от _ 30°С до + 85°С.

Стабилизатор напряжение lm7809 преобразует напряжение величиной до 20 Вольт в напряжение 9 Вольт. Данный стабилизатор часто применяется для получения стабилизированного напряжение для питания низковольтной аппаратуры.

Стабилизатор напряжения LM7805 один из самых дешевых (китайские производители) и полный аналог отечественной КРЕН5. На выходе выдает ровные 5 Вольт, выдерживает хороший ток, особенно микросхемы в корпусе TO220 при монтаже на радиатор.

Диод выпрямительный КД522Б. Рабочая температура -60…125 оС.

Диод 2С147А относится к классу "Стабилитроны малой мощности".

Защитный диод P6KE10A.

В таблицу 3.1 сведены сведения о габаритных размерах и расположении выводов основных элементов схемы электрической принципиальной блока измерителя характеристик полупроводниковых приборов.

Таблица 3.1- Сведения о габаритных размерах и расположении выводов основных элементов схемы электрической принципиальной блока измерителя характеристик полупроводниковых приборов.

Наименование элемента	Габариты, расположение выводов
Микроконтроллер ATmega32/64M1 в корпусе TQFP32/QFN32
Резисторы Р1-12
Наименование элемента	Габариты, расположение выводов
Резисторы СП3-19
Конденсаторы К73-17
Конденсаторы К50-35
Наименование элемента	Габариты, расположение выводов
Излучатель звука HPM14AX
Стабилизатор напряжение lm7809
Диод КД522Б
Диод 2С147А
Диод P6KE10A

Указанные выше радиоэлементы являются широко распространёнными, достаточно дёшевы, что облегчает подготовку к производству устройства и обеспечивает его ремонтопригодность.

4. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОГО БЛОКА

4.1 Выбор метода изготовления и материала печатной платы

Современные электронные средства проектируются с использованием интегральных схем и элементной базы, монтируемой на поверхность. Это позволяет существенно расширить функциональные возможности аппаратуры.

Монтаж на поверхность - это крепление компонентов специальной конструкции непосредственно на поверхность печатной платы.

Разрабатываемая система должна отвечать следующим условиям:

· защищенность от значительных случайных ударов и вибрационных нагрузок при перемещении;

· защищенность от попадания пыли, влаги, конденсата;

· стойкость к циклическим сменам температуры.

Аппаратура эксплуатируется в виде автономного блока (устройства) и не требует использования стандартных размеров плат.

Печатная плата - изоляционное основание с нанесенным на его поверхность печатным монтажом. Их применение повышает надежность аппаратуры, обеспечивает повторяемость электрических параметров, создает предпосылки для автоматизации производства (высокая производительность и низкая себестоимость), уменьшает габариты и массу. Наиболее распространены односторонние печатные платы и двухсторонние печатные платы с основаниями из слоистого диэлектрика.

Для уменьшения площади печатной платы устройства используем двустороннюю плату.

Двухсторонние печатные платы характеризуются высокими коммутационными свойствами, повышенной прочностью соединения выводов элементов с проводящим рисунком. Применяется для схем повышенной сложности.

Травление фольгированного диэлектрика без металлизации монтажных отверстий называется химическим методом. Этот метод сочетается с фотографическим и сеткографическим способами получения изображения печатного рисунка и обеспечивает высокую разрешающую способность печатных проводников. Достоинствами химического метода являются: доступность механизации и автоматизации, возможность получения высокого качества печатных плат, которые обладают повышенной адгезией печатных проводников к диэлектрическому основанию. Недостатками химического метода являются: наличие активного воздействия химических веществ на диэлектрическое основание платы, повышенный расход травителей и стравливаемой меди, которая в большинстве случаев не регенерируется.

В промышленности в настоящее время широко внедряются химические методы получения проводящего рисунка печатных плат из фольгированных материалов с утонченной фольгой (5…10 мкм). В таких печатных платах удается получить узкие печатные проводники и повысить плотность печатного монтажа.

Для изготовления рабочего макета микропроцессорного устройства используем наиболее простую и наименее затратную, так называемую, лазерно-утюжную технологию, получившую широкое распространение среди радиолюбителей.

Лазерно-утюжная технология -- технология, использующая лазерный принтер для создания рисунка печатных проводников, и утюг для его переноса на плату. Метод основан на том, что слой расплавленного тонера устойчив к действию травящего раствора. Он заменяет фоторезист, используемый в промышленности для предохранения слоя меди, находящегося непосредственно под рисунком проводящих дорожек, от действия травящего реактива.

Для изготовления печатной платы лазерно-утюжным способом подготавливается позитивное зеркально-отражённое изображение слоя металлизации. Подготовленное изображение распечатывается на глянцевой бумаге в масштабе 1:1.

Лист фольгированного текстолита нужного размера обрабатывается мелкой наждачной бумагой, затем обезжиривается в спиртовой ванне или ватным тампоном.

Заготовка кладётся на ровную твёрдую термостойкую поверхность фольгированной стороной вверх, и к ней прикладывается распечатанный лист рисунком к плате.

Утюг включается на максимальную температуру и ставится на заготовку на 30 секунд. Затем плата остывает естественным образом. Остывшая плата ставится под струю тёплой воды или в ванночку. Если нужно сделать двухстороннюю плату, то следует повторить все операции для второй стороны.

Плата с нанесённым рисунком дорожек опускается в раствор для травления. Это может быть азотная кислота или хлорное железо. При этом следует наблюдать за процессом травления. Протравленная плата вынимается из ёмкости и промывается водой. Плата очищается от тонера тампоном с растворителем.

После этого производится сверление отверстий, залуживание контактных площадок и непосредственная пайка схемы.

В качестве основания печатной платы используются слоистые диэлектрики на основе бумаги (гетинаксы) и на основе стеклоткани (стеклотекстолиты). Выбор материала определяется электроизоляционными свойствами, механической прочностью, стоимостью, стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий. Стеклотекстолит превосходит гетинакс практически по всем техническим и электрическим характеристикам: допустимая влажность окружающей среды для платы без дополнительной влагозащиты(85% для гетинакса и 93% для стеклотекстолита). Стеклотекстолит имеет меньший тангенс угла диэлектрических потерь (0,035 против 0,07) и меньшую диэлектрическую проницаемость (5,5 против 7,0), что уменьшает паразитную емкость; водопоглощение при толщине 1,5мм (20мг против 80мг), прочность на отслаивание фольги после кондиционирования в гальваническом растворе (3,6Н против 1,8Н), прочность на отрыв контактной площадки (60Н против 50Н) - важный показатель для плат, эксплуатируемых в жестких механических условиях.

...