Автоматичне регулювання рівня води в резервуарі з використанням мікроконтролера

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Мета роботи

Ознайомитися з технічними можливостями використання мікроконтролерів в якості позиційних регуляторів на прикладі регулювання рівнів води у регулювальних та запасних спорудах в системах водопостачання і каналізації.

Навчитися експериментально досліджувати перехідні характеристики водоподавального обладнання при різних режимах використання споруд.

2. Короткі теоретичні відомості

Для забезпечення безперебійного водопостачання і підтримання потрібного напору у водопровідній мережі потрібні запасні (накопичувальні) і регулювальні споруди. До таких споруд відносяться водонапірні башти, напірні і безнапірні резервуари, водонапірні колони

Схематичне зображення такої споруди показано на рис. 1.

Рис. 1. Схематичне зображення резервуара для води: 1 - резервуар; 2 - запас води; 3 - переливна труба; 4 - пожежний запас води; 5 - подавально-відвідний трубопровід; 6 - трубопровід для пожежних витрат води; 7 - засувка

Воду подають у резервуар і забирають із нього трубою 5, верхній зріз якої встановлений на рівні пожежного запасу - позначка zmin.

При наповненні максимальний рівень води не може бути більше позначки zmax (верхній зріз переливної труби 3), а при відбиранні води на господарські потреби не менше позначки zmin. Об'єм води між zmax і zmin є запасним і регулювальним, нижче zmin - пожежним запасом.

Отже, об'єктом регулювання є резервуар з водою, а регульованим параметром - рівень води в ньому. Таких рівнів два - відмітки zmin і zmax (рис.1). Враховуючи, що ємність таких об'єктів велика (сотні-тисячі метрів кубічних), час наповнення і випорожнення значний, для автоматичного регулювання рівня води придатний двопозиційний регулятор, який подає воду в резервуар при зменшенні рівня води до zmin і припиняє подачу води при досягненні рівня zmax. Оскільки рівні zmin і zmax задані, то регульована величина порівнюється із заданою і при наявності відхилення виробляється сигнал керування і вода подається в резервуар, (рис.2), а при припиняється подача води, і - задані допустимі значення нижнього і верхнього рівнів, і - фактичні значення рівнів.

Рис. 2. Статична характеристика двопозиційного регулятора рівня води

Автоматизувати таке регулювання можна за допомогою дискретних елементів автоматики - електромагнітних реле, логічних елементів і мікроконтролерів. На рис.3 показана схема регулювання рівня води з використанням електродних давачів рівня і електромагнітних реле.

Рис. 3. Схема автоматичного регулювання рівня рідини в резервуарі: Р - резервуар; ЗЕ - загальний електрод; ЕНР - електрод нижнього рівня; ЕВР - електрод верхнього рівня; KVн, KVв - електромагнітні реле відповідно для нижнього і верхнього рівнів; КМ - магнітний пускач; ЕЗ - електрифікована засувка

Схема працює наступним чином. Якщо рівень води менше нижнього електрода в колах живлення KVн і KVв немає струму і через нормально замкнуті контаки KVн і KVв вмикається магнітний пускач КМ, який подає живлення на мотор М електрифікованої засувки ЕЗ. Засувка відкривається і подається в резервуар вода. Замість засувки може вмикатися двигун насоса.

Оскільки при досягненні водою електрода нижнього рівня ЕНР реле KVн спрацює і розімкне контакт KVн,, то для запобігання вимикання КМ, що приведе до зупинки насоса, контакти KVн шунтуються допоміжними контактами КМ при спрацюванні пускача. Отже рівень води буде збільшуватись аж до контакту з електродом верхнього рівня ЕВР, при цьому реле KVв спрацює і розімкне контакт KVв в колі живлення магнітного пускача, який знеструмиться і розімкне шунтуючий контакт КМ. Схема знову готова до вмикання.

Релейно-контактні елементи автоматики через малу швидкодію, великі габарити, масу і вартість, значне споживання електроенергії, низьку надійність особливо в умовах значної вологості і запиленості заміняються безконтактними напівпровідниковими логічними елементами. Логічними елементами називають пристрої, які виконують логічні функції з вхідними величинами. Вхідні і вихідні сигнали мають бути двох рівнів: мінімальний (сигналу немає), який позначається нулем (0) і максимальний (сигнал є), його позначають одиницею (1). Отже, логічні елементи оперують з двома величинами - "0" і "1", аналогічно двійковому коду , що дає можливість вести розрахунок різних комбінацій вхідних сигналів. На рис.4 показана схема на логічних елементах, яка виконує таку ж функцію як і схема рис.3.

Аналіз і синтез систем автоматики на дискретних елементах здійснюють методом математичної логіки - алгебри логіки.

Вхідні сигнали позначаються буквами х1, х2, х3..., вихідний - у. Основні логічні елементи наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Рис. 4. Схема автоматичного регулювання рівня води в резервуарі з використанням логічних елементів: 1, 4, 5 - транзисторні підсилювачі; 2, 6 - логічні елементи "НІ"; 3 - логічний елемент "І"; 7 - логічний елемент "АБО"

Схема працює наступним чином. Якщо рівень води в резервуарі менше , рис.4 , то електричні кола вода - електрод верхнього рівня (ЕВР) і вода-електрод нижнього рівня (ЕНР) будуть розімкнуті і на входах логічних елементів 2 і 6 (НІ) не буде сигналу, тобто "0", тому на виході цих елементів будуть сигнали "1". З елемента 2 сигнал "1" подається безпосередньо на вхід елемента 3 (І), а з елемента 6 сигнал "1" подається на вхід елемента 7 (АБО), вихідний сигнал якого "1" теж подається на вхід елемента 3.

Отже на вхід елемента 3 (І) подається два сигнали "1" і на виході теж буде "1". Вихідний сигнал елемента 3 підсилюється підсилювачем 4 і вмикає апаратуру керування двигуном приводу засувки чи насоса.

При підвищенні рівня електрод нижнього рівня зануриться у воду і на вході елемента 6 (НІ) появиться "1", а на виході "0". Щоб подача води не припинялася, на входах елемента "3" (І) повинні бути тільки одиниці. Для цього використаний елемент "АБО", на другий вхід якого подана "1" з елемента 3. Цей зворотній зв'язок створює "пам'ять" і подача води не припиниться до досягнення водою електрода верхнього рівня.

На базі логічних елементів виготовляють логічні мікросхеми, які виконують функції тригерів, суматорів, лічильників, шифраторів і дешифраторів, арифметично-логічних пристроїв, постійних і оперативних запам'ятовуючих пристроїв і інші. Логічні мікросхеми відносяться до цифрових інтегральних мікросхем.

Ще більші можливості з точки зору позиційного регулювання мають мікроконтролери з дискретними входами і виходами.

Структура кристала мікроконтролера показана на рис.5.

Рис. 5. Структура кристала мікроконтролера РІС16F84

БКЖ - блок контролю живлення; ППЗП - програмований постійний запам'ятовуючий пристрій; БКС - блок керування скиданням; процесор з постійним запам'ятовуючим пристроєм і арифметико-логічним пристроєм; БС - блок синхронізації; ОЗП - оперативний запам'ятовуючий пристрій; ПВВ - порти введення і виведення сигналів.

На кристалі розміщені:

- програмований постійний запам'ятовуючий пристрій (ППЗП), який призначений для постійного зберігання записаної програми роботи системи регулювання і піддається перепрограмуванню;

- процесор з постійною пам'яттю і програмою (ППП) і арифметико-логічними пристроєм (АЛП), який керує функціонуванням мікроконтролера, обробляє інформацію (сигнали, команди, дані) згідно програми роботи системи автоматичного регулювання і формує сигнали керування;

- оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП), в якому тимчасово зберігаються дані і проміжні результати;

- порти введення вхідних і виведення вихідних сигналів (ПВВ) являють собою регістри, де тимчасово зберігається інформація у двійковому коді;

- блок синхронізації (БС) синхронізує роботу всіх елементів мікроконтролера, задає його швидкодію, задає частоту таймерів і лічильників і живиться від стороннього генератора тактової частоти (ГТЧ);

- блок керування скиданням (БКС) переводить контролер в початкове положення при його вмиканні;

- блок керування живлення (БКЖ).

В лабораторній роботі використовується мікроконтролер РІС16F84 фірми "Microchip". Цей мініатюрний контролер має 18 виводів, 13 з яких можна використати як входи (введення) і як виходи (виведення) дискретних сигналів, залежно від потреби тих і інших. Вхідні дискретні сигнали - напруга +5В, вихідні - струмові, для "1" струм 20 mА, для "0" струм 0 mA. Живлення мікроконтролера здійснюється напругою +5В постійного струму. Тактовим генератором може бути кварцевий резонатор або RC-ланка. В лабораторній установці використаний кварцевий резонатор на 10 мГц.

Для написання програми, асемблювання і запису в мікросхему потрібні:

- алгоритм роботи системи регулювання;

- мікросхема РІС16F84;

- програма MPlab;

- програматор PICSTAR;

- джерело живлення програматора.

В програмі MPlab створюється програма роботи на основі алгоритму роботи системи згідно рис. 6.

Рис. 6. Алгоритм роботи системи регулювання рівня води в резервуарі.

Цей же алгоритм роботи системи в табличній формі, представлений в табл. 2.

Таблиця 2

Основною перевагою мікроконтролерів серії РІС16F84, є можливість перепрограмування, створювати штучну затримку появи певних вихідних сигналів, що буває необхідним при автоматизації технологічних процесів, сигналізації аварійних режимів. Шляхом вмикання звичайного вимикача систему можна первести в інший режим роботи, при якому відбуваються сигналізація аварійного режиму, коли подача води не припиняється при досягненні максимально допустимого рівня і не подається, коли рівень води менше мінімально допустимого. В цих режимах засвічується сигналізації "аварія" і "верхній рівень", коли рівень більше допустимого, "аварія" і "нижній рівень", коли рівень менше допустимого, що дає можливість диспетчеру встановити характер аварійної ситуації.

В даній системі регулювання не використані всі можливості мікроконтролера, адже задіяно тільки три входи і п'ять виходів.

3. Програма роботи

1. Ознайомитися із сучасним методом дискретного (позиційного) регулювання на базі мікроконтролера.

2. Навчитися складати алгоритм роботи систем з позиційним регулюванням.

3. Побудувати структуру і функціональні схеми автоматичного регулювання рівня води в резервуарі на базі мікроконтролера.

4. Дослідити характеристики L(t) при наповненні і витрачанні води.

4. Опис лабораторної установки

статичний двопозиційний регулятор мікроконтролер

Лабораторна установка складається із резервуара 1, (рис. 7, а), мікроконтролера 3, водонапірного резервуара з електродними давачами 4 і насосного агрегата 8. Мікроконтролер (рис. 7, б) складається із мікросхемного стабілізатора напруги 9, світлової індикації наявності живлення 10, світлових індикаторів верхнього рівня 11, проміжного рівня 12, нижнього рівня 13, мікроконтролера 14, кварцевого резонатора 15, індикатора аварійної ситуації 16, індикатора роботи насоса 17, підсилювачів сигналів електродів 10 і 18.

5. Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з лабораторною установкою, місцезнаходженням електродних давачів, світлової індикації і її призначення.

2. Переконатися, що вимикач S2 вимкнутий і рівень води у водонапірному резервуарі 4 нижче електрода нижнього рівня.

3. Ввімкнути S1 і переконатися, що система регулювання функціонує - рівень води знаходиться в заданих межах.

4. Коли рівень води буде знаходиться в заданих межах (світиться індикатор проміжного рівня 12) ввімкнути S2, проаналізувати роботу системи в аварійній ситуації і описати словами алгоритм роботи системи при аварійній ситуації.

Рис. 7. Лабораторна установка мікросхемного регулювання рівня води в резервуарі а - загальний вигляд лицевої панелі; б - загальний вигляд мікросхемного регулятора

Размещено на Allbest.ru