Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

на тему: «Разработка устройства управления вакуумной насосной станцией с радиоканалом»



Содержание

Введение

1. Технологический процесс

1.1 Общая характеристика объекта

1.2 Постановка задачи проекта

2. Разработка системы автоматизации

2.1 Комплекс средств нижнего уровня

2.2 Выбор контроллерного средства

2.2.1 Выбор контроллера

2.2.2 Выбор конфигурации контроллера

2.3 Выбор программного обеспечения

2.3.1 Создание графической базы данных и задание необходимых настроек системы

2.4 Разработка операторского интерфейса

3. Разработка телеуправления объектом водозаборной скважины по

радиоканалу

3.1 Структурная схема телеуправления

3.2 Расчет радиопередающего устройства

3.2.1 Расчет выходного усилителя мощности РПУ

3.2.2 Расчет предоконечного усилителя мощности

3.2.3 Расчет входного каскада

3.2.4 Частотный модулятор

3.2.5 Четырехканальный шифратор с частотным кодированием

3.3 Радиоприемное устройство

3.3.1 Дешифратор частотно-кодированных сигналов

Заключение

Список литературы



Введение

Телемеханика быстро развивается в области техники сбора информации, передачи и обработки ее с дальнейшим отображением, необходимым для контроля и управления различными техническими процессами. В настоящее время в таких отраслях как, нефтегазовая промышленность, используются автоматизированные системы диспетчерского управления с применением персональных компьютеров и использованием локальных сетей. Это приводит к существенному изменению, как в методах передачи телемеханической информации, так и в технических средствах.

Системы телемеханики это комплекс, состоящий из следующих элементов: система автоматизированного управления, информационно-измерительная система и система связи. Основная отличительная особенность систем телемеханики является передача на большие расстояния информации между контролируемыми и управляющими пунктами.

Придобычи нефти образуются попутные нефтяные газы в процессе бурения. Компрессорные станции используются чтобы доставлять попутный газ от месторождения до газоперерабатывающего завода. Основная цель производства на компрессорных станциях приминимальных затрат эксплуатации является надежное обеспечение режима перекачки. Существующая система автоматического управления, выполненная на базе релейной автоматики, устарела и не соответствует современным требованиям, поэтому требуется внедрение автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) на базе микропроцессорного контроллера, а также применение высококачественных и точных приборов.

Объектом исследования дипломного проекта является вакуумная компрессорная станция Крапивинского месторождения (Томская область).На ней попутный нефтяной газ компримируется до давления, необходимого для дальнейшей его транспортировки на газоперерабатывающий завод по трубопроводу.

Широкое распространение на большинстве промышленных предприятий получили современные методы управления производственными процессами на основе компьютерных технологий.

Диспетчерское управление и сбор данных - SCADA (от Supervisory Control And Data Acquisition) - являются в настоящее время основными методами автоматизированного управления сложными динамическими системами и процессами в жизненно важных и критичных с точки зрения безопасности и надежности областях. На принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в промышленности и энергетике, на транспорте, в военной и космической промышленности, в различных государственных структурах и частных компаниях.

Традиционная концепция создания систем управления производственными процессами предусматривает весьма ограниченную формализацию этапов проектирования АСУ ТП (например, анализа свойств целей и синтеза критериев управления), относя эти действия к творческим актам, успех выполнения которых почти полностью определяется профессиональными и личностными качествами управленческого персонала.

От качественного сопровождения программного обеспечения (ПО) для автоматизации ТП во многом зависит не только производительность и безаварийность работы технологических агрегатов, но и жизненный цикл спроектированной и сданной в промышленную эксплуатацию АСУ ТП.

В настоящее время в практике проектирования АСУ ТП появились так называемые «коробочные» решения в области проектирования АСУ ТП нижнего (уровня контроллеров) и верхнего уровня (уровень SCADA-систем), а также уровня предприятия (уровня АСУП - MES- и ERP-систем).

Чтобы обеспечивался высокий уровень надежности, программно-аппаратный комплекс должен состоять из двух и более уровней. К нижнему уровню относятся датчики и исполнительные механизмы, а также управляющий контроллер. Верхний уровень представляет собой автоматизированное рабочее место оператора на базе персонального компьютера.



1. Технологический процесс

1.1 Общая характеристика объекта

Автоматизированная система управления технологическим процессом на объекте должна выполнять следующие основные функции:

1) Дистанционного наблюдения и управления работой вакуумной компрессорной станции (ВКС) с автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора. Это предусматривает измерение и отображение в цифровой форме технологических параметров по вызову оператора, а также вывод основных технологических параметров и состояния исполнительных механизмов на мнемосхемы, реализуя тем самым диалог с оператором-технологом. Необходимо обеспечить обнаружение и оперативное отображение отклонений технологических параметров и показателей состояния оборудования за установленные пределы.

2) Ведение технологического режима ВКС (сбор информации, регулирование, функционально-групповое управление, блокировки) в соответствии с технологическим регламентом предусматривает формирование графиков тенденций изменения основных технологических параметров. Здесь же необходимо обеспечить обнаружение, сигнализацию и регистрацию отклонений технологических параметров и показателей состояния оборудования за установленные пределы, а также обнаружение и регистрацию аварийных ситуаций. По запросу оператора необходимо производить формирование и печать отчетно-учетных документов, таких как предыстория событий и подсчёт времени работы агрегатов. Также предусматривает реализацию автоматического и дистанционного управления исполнительными механизмами в соответствии с заданным алгоритмом, основываясь на полученных данных о технологическом процессе.

3) Архивирования информации с целью последующего пользования для анализа и формирования отчетной документации.

Целями создания системы являются:

1) Повышение качества ведения технологического режима и его безопасности;

2) Повышение точности измерения и регулирования технологических параметров;

3) Повышение оперативности действий персонала;

4) Сокращение потерь газа и улучшения экологической обстановки на объекте;

5) Повышение надёжности системы управления объектом.

Характеристика объекта управления.

Объектом управления является вакуумная компрессорная станция попутного нефтяного газа.

В состав технологического оборудования ВКС входят:

1) компрессорный агрегат - 3 шт.;

2) газовый сепаратор - 2 шт.;

3) узел учета газа;

4) встроенная маслосистема;

5) подземная дренажная емкость ЕП-5.

Условия эксплуатации технологического комплекса ВКС соответствуют макроклиматическому району с холодным климатом с диапазоном расчетных температур от -43^оС до +40^оС. Температура в помещениях должна поддерживаться не ниже 5^оС.

Объекты управления системы относятся к взрывопожароопасным объектам с зоной В-Iа (помещения) и В-Iг (технологические площадки КС) по ПУЭ.

Функциональные требования.

Система обеспечивает выполнение следующих функций:

1) управления технологическим процессом;

2) информационных;

3) обслуживания системы.

Система имеет функционально и территориально распределённую структуру.

В состав системы входит:

1) автоматизированное рабочее место оператора;

2) станция управления технологической установкой (станции управления должны быть размещены отапливаемом помещении).

Управляющая сеть системы обеспечивает обмен информацией между АРМ и станциями управления.

Система обеспечивает возможность расширения путем подключения дополнительных станций управления и организации дополнительных рабочих мест.

Схемой автоматизации определяется количество контролируемых сигналов и сигналов управления системы.

Система обеспечивает непрерывное круглосуточное ведение технологического режима, сохраняя возможность выполнения основных функций при выходе из строя отдельных элементов. Система обеспечивает диагностику ее технических средств в режиме нормальной работы.

В системе предусмотрены программные и аппаратные средства защиты от неквалифицированных действий персонала, способных привести к нарушениям технологического режима.

Система обеспечивает сохранение работоспособности при отключении электроэнергии на время до 20 минут за счёт применения источников бесперебойного питания.

1.2 Постановка задачи проекта

Цель проекта заключается в разработке устройства автоматизированного управления цехом газоперекачивающих агрегатов и водозаборной скважиной по радиоканалу. Что в свою очередь включает:

а) разработка устройства телеуправления водозаборной скважины для бытового и противопожарного обеспечения находящейся на удалении от основного объекта (радиопередающее и радиоприемное устройство) - управление насосом, параметрами, сигнализацией;

б) изучение объекта автоматизации (понимание технологического процесса);

в) определение объема автоматизации (определение количества обрабатываемых сигналов);

г) выбор парка датчиков и исполнительных механизмов (выбор датчиков сообразно точности управления технологическим процессом);

д) выбор аппаратной части верхнего уровня (выбор подходящего микроконтроллера, типов шасси, плат ввода вывода);

е) выбор программного обеспечения (подбор требуемого программного обеспечения для разработки системы управления и функционирования);

ж) разработка операторского интерфейса управления объектом.



2. Разработка системы автоматизации

Автоматизированная система управления технологическими процессами ВКС представляет собой двухуровневую структуру. Структурная схема АСУТП ВКС представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема АСУ ТП ВКС

Нижний уровень реализован на базе контроллера и различных датчиков (давления, температуры, уровня, загазованности, осевого сдвига) имеющих цифровые и аналоговые выходные сигналы.

Выполняет следующие функции:

- сбор и обработку аналоговых измерений;

- сбор и обработку дискретных сигналов аварий, предупредительной сигнализации и состояний технологического оборудования;

- контроль выхода за уставки технологических параметров и формирование соответствующих воздействий и предупредительных сигналов;

- автоматическое управление технологическим оборудованием.

Верхний уровень реализован на базе персонального компьютера (ПЭВМ).

Функции ПЭВМ:

- непрерывный круглосуточный обмен информацией по проводной связи с контроллером первого уровня;

- обработка полученной информации, формирование предыстории и текущих событий;

- формирование и архивирование массивов данных по заданным параметрам;

- отображение полученной информации в форме таблиц или на мнемосхемах;

- формирование и печать отчетно-учетных документов;

- обеспечение возможности передачи массивов информации по корпоративной сети;

- дистанционное управление технологическим оборудованием;

- сигнализация событий и их регистрация;

- изменение уставок, настроек регуляторов;

- аварийная и предупредительная сигнализация.

Оповещение оператора о возникновении на ВКС аварийной ситуации осуществляется с помощью звукового сигнала ПЭВМ.

2.1 Комплекс средств нижнего уровня

Качество работы системы управления во многом зависит от применяемых контрольно-измерительных приборов и исполнительных механизмов. Именно они находятся непосредственно на объектах и подвергаются воздействию, как со стороны внешней среды, так и со стороны технологических факторов. В связи с этим к контрольно-измерительным приборам и исполнительным механизмам предъявляется ряд требований:

- устойчивость к технологическим параметрам (температура, давление, вибрации);

- взрывобезопасность;

- работа при низких температурах (до - 45^оС);

- высокая надёжность работы;

- точность показаний.

Выбор комплекса средств нижнего уровня был сделан в пользу продукции фирмы «Метран» в связи с тем что:

а) компания «Метран» на протяжении нескольких лет является одной из ведущих Российских фирм производителей;

б) в ПГ "Метран" создан Центр поддержки для предоставления оперативных исчерпывающих консультаций по продукции "Метран" и "Emerson"

в) ПГ "Метран" ежемесячно проводится бесплатное обучение специалистов сервисных и ремонтных организаций на базе ПГ «Метран»;

г) оказываются услуги по шефмонтажу и наладке сложного оборудования;

д) проводится аттестация Заказчиков как самостоятельных сервисно-ремонтных центров с предварительным обучением специалистов.

е) выбранные датчики соответствуют требованиям точности управления технологическим процессом;

ж) продукция фирмы Метран дешевле импортных аналогов и не уступает им по качеству.

Датчики давления Метран-55 имеют следующие возможности:

- контроль текущего значения измеряемого давления;

- контроль и настройка параметров датчика;

- выбор системы и настройка единиц измерения;

- настройка времени усреднения выходного сигнала (демпфирование);

- выбор зависимости выходного сигнала от входной величины (линейно-возрастающая, линейно-убывающая, пропорциональная корню квадратному перепада давления);

- калибровка датчика;

- непрерывная самодиагностика;

- тестирование и управление параметрами датчика на расстоянии;

- защита настроек от несанкционированного доступа;

- непрерывная самодиагностика обеспечивает контроль работы датчика и формирует сообщение о неисправностях;

- оснащен встроенным фильтром радиопомех.

Принцип действия датчиков основан на использовании пьезорезистивного эффекта в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической пластины из искусственного сапфира. Чувствительный элемент с монокристаллической структурой кремния на сапфире является основой всех сенсорных блоков датчиков семейства «Метран».

Электронное устройство датчика преобразует изменение электрических сопротивлений в стандартный аналоговый сигнал постоянного тока и/или в цифровой сигнал в стандарте HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485.

Сигнализаторы давления используются реле давления РД 100, РД1600, РД400 производства «Метран». Они подходят по требованиям и цена у них намного ниже аналогичных датчиков.

Термопреобразователи микропроцессорные ТСПУ Метран-276 МП Ех предназначены для непрерывного преобразования температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока - 4-20 мА, измерения температуры жидких и газообразных сред, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким. Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика микропроцессорный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. Испытательная система на базе компьютера изучает, как преобразователь реагирует на изменения окружающей температуры. Эти данные записываются в память преобразователя для корректировки в реальных условиях.

Сигнализатор СТМ-10 предназначен для автоматического непрерывного контроля довзрывоопасных концентраций многокомпонентных воздушных смесей горючих газов и паров. Область применения: в процессе добычи, переработки, транспортировки газа, нефти и нефтепродуктов.

Принцип работы - термохимический. Режим работы - непрерывный.

Сигнализатор уровня выбран СУР-5 фирмы «Альбатрос», так как он обладает лучшими показателями по погрешности срабатывания.

Сигнализатор уровня предназначен для сигнализации положения уровня различных жидких продуктов в двух точках технологических емкостей.

Определение положения уровня жидкости основано на различии в способности жидкостей и газов поглощать энергию ультразвуковых колебаний. Пока чувствительный элемент датчика находится в газовой среде, ультразвуковые колебания в его корпусе практически не поглощаются внешней средой.

В качестве расходометра выбран Метран-331. Принцип действия прибора основан на определение частоты вихрей, образующихся в потоке измеряемой среды при обтекании тела специальной формы, установленным в проточной части преобразователя расхода.

Датчик контроля загазованности СГОЭС предназначен для непрерывного измерения уровней загазованности в местах возможного появления метана, пропана или паров нефтепродуктов.

На каждый компрессор, согласно технологии, необходимо ставить датчик смещения оси.

Датчик осевого сдвига ИКЛЖ.4022 предназначен для измерения сдвига и преобразования измеренного значения в выходной сигнал постоянного тока от 4 до 20 мА или от 0 до 5 мА.

Основная область применения: контроль за положением валов различных газо- и нефтеперекачивающих агрегатов, паровых и газовых турбин, насосов, двигателей и других объектов.

В качестве датчика вибрации используется преобразователи пьезоэлектрические виброизмерительные ДН 3-М1. Вибропреобразователи ДН 3-М1 предназначены для преобразования механических колебаний в электрические сигналы, пропорциональные ускорению колеблющегося объекта.

2.2 Выбор контроллерного средства

2.2.1 Выбор контроллера

Контроллер SLC 500 фирмы AllenBradley

Это семейство малых программируемых контроллеров, построенное на двух аппаратных модификациях: фиксированный контроллер с опцией расширения при помощи 2-x слотного шасси, или модульный контроллер до 960 точек Вв/Выв. Средства программирования и большинство модулей Вв/Выв совместимы для обеих модификаций.

Программируемые контроллеры SLC 500 имеют встроенный порт сети DH-485, обеспечивая тем самым программную поддержку и мониторинг.

В состав процессора SLC 5/05 включен канал RS-232, который обеспечивает асинхронный последовательный коммуникационный интерфейс данных с терминальными устройствами.

Модульные контроллеры SLC 500 предлагают дополнительную гибкость конфигурирования системы, более мощные процессоры и большую емкость ввода/вывода.

Данный контроллер по своим техническим характеристикам не уступает, а в некоторых аспектах и превосходит другие промышленные контроллеры. Применение контроллера SLC 5/05 позволяет уменьшить расходы на аппаратное обеспечение проектируемой системы.

2.2.2 Выбор конфигурации контроллера

Конфигурацию контроллера выбрана в зависимости от количества аналоговых и дискретных сигналов.

Распределение сигналов в системе представлено в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Распределение сигналов в системе автоматизации

	Количество	С учетом резерва
Дискретные входы	52	58
Дискретные выходы	60	66
Аналоговые входы	69	76

В соответствии с таблицей 2.1 выбрана следующая конфигурация контроллера:

- центральный процессор SLC 5/05 - 1шт.;

- модуль аналогового входа 1746-NI8 - 7 шт.;

- модуль аналогового входа 1746-NI4 - 1 шт.;

- модуль дискретного входа 1746-IB32 - 2шт.;

- модуль дискретного входа 1746-IB8 - 1шт.;

- модуль дискретного выхода 1746-OB32 - 2 шт.;

- модуль дискретного выхода 1746-OB16 - 1 шт.

Всего получилось 17 модулей. Для подключения такого количества модулей необходимо 2 шасси: 1746-A10 и 1746-А7.



Таблица 2.2. Расчет потребляемой мощности

№ мод.	Модуль	Потребляемая ток, А
		Источник питания 5В	Источник питания 24 В
Шасси № 1
1	SLC 5/05	1	0,2
2	1746-NI8	0,2	0,1
3	1746-NI8	0,2	0,1
4	1746-NI8	0,2	0,1
5	1746-NI8	0,2	0,1
6	1746-NI8	0,2	0,1
7	1746-NI8	0,2	0,1
8	1746-NI8	0,2	0,1
9	1746-NI4	0,035	0,085
10	1746- IB8	0,05	0
Итого	2.485	0.985
Шасси № 2
11	1746-IВ32	0,106	0
12	1746-IВ32	0,106	0
13	1746-OВ32	0,106	0
14	1746-OВ32	0,106	0
15	1746-OB16	0,28	0
16	Резерв	0	0
17	Резерв	0	0
Итого	0,704	0

Для шасси №1 выбран блок питания 1746-Р2. Для шасси № 2 выбран блок питания 1746-Р1.

2.3 Выбор программного обеспечения

Центральное рабочее место системы «Алгоритм» - основное рабочее место системы, которое сочетает в себе функции рабочих мест администратора и оператора системы и имеет возможности:

- создания и редактирования базы данных всей системы в целом;

- загрузки и отображения созданной базы данных на мониторе, на мнемосхемах, на планах помещений и в дереве управления системы;

- подключения к драйверам опроса приборов и интеграции с заданным программным обеспечением, получение данных от приборов и от интегрируемого программного обеспечения, ведение журнала событий и отображение на мониторе рабочего места изменений, происходящих на контролируемом объекте;

- поддержка OPC серверов, без ограничения на названия, длину наименований и количество тэгов данных серверов;

- запуска сценариев-алгоритмов управления для выдачи команд элементам системы, выдачи инструкций (сообщений) оператору, загрузки окон видеоконтроля и так далее, задания расписания работы и запуска алгоритмов управления;

- видеоконтроль наблюдаемых объектов и установленного оборудования с выводом видео-окон параллельно с мнемосхемами объекта;

- передача данных по сети (локальной или Интернет-сети) на клиентские рабочие места системы;

- интеграция по локальной сети или Интернету удаленных рабочих мест, контролируемых объекты, получение данных и выдача команд на удаленные рабочие места;

- создание единого интеллектуального пространства контроля и управления всеми объектами, включенными в систему;

- вывод результирующих отчетов по работе и настройкам системы в виде текcтовых таблиц, изображений мнемосхем или графиков за заданные промежутки времени с применением как простейших, так и специализированных фильтров по событиям.

В случае конфигурации «клиент-сервер» система «Алгоритм» может выступать как WEB-SCADA с передачей данных в формате HTML-страниц, как «Клиент-серверная» система с передачей смешанных данных, либо как совокупность систем WEB-SCADA и «Клиент-серверной системы» с подключением различного типа клиентов к единому компьютеру-серверу системы «Алгоритм».

В программное обеспечение Центрального рабочего места системы «Алгоритм» включены следующие модули:

1) собственно программный модуль Центрального рабочего места или головная программа - осуществляет функции редактора базы данных и монитора оператора системы;

2) «Интернет-сервер центрального рабочего места» - осуществляет функции передачи данных по локальной сети или сети Интернет на «Интернет-клиенты» системы и прием от клиентов команд на Центральное рабочее место;

3) «Интернет-клиент» - клиент центрального рабочего места, который принимает данные от «Интернет-сервера» и устанавливается на рабочем месте локальной сети или рабочем месте сети Интернет. Данный клиент - ActiveX компонент, который загружается в окне Интернет-браузера (как например InternetExplorer) и отображает журнал событий и ситуацию на объекте, по данным «Интернет-сервера», на мнемосхемах и планах помещения объекта, а также транслирует на Центральное рабочее место команды оператора данного «Интернет-клиента»;

4) «Информационный WEB-сервер SCADA системы» «Алгоритм» - осуществляет передачу данных в формате HTML-страниц различным WEB-браузерам;

5) Драйверы интеграции с системами безопасности объекта - данная версия системы «Алгоритм» интегрируется на основе бесплатных драйверов с АРМ «С2000», АРМ «Орион». С АРМ «Орион про» система «Алгоритм» интегрируется на основе OPC сервера. Подробнее об интеграции с АРМ «С2000» читайте в главе «Интеграция с АРМ «С2000» данного руководства, а об интеграции с АРМ «Орион» читайте в «Руководстве по интеграции»;

6) Модуль отчетов системы - создает отчеты по журналу событий и базе данных системы, в том числе отчеты-тренды;

7) «Интернет-сервер интегрируемых приложений» - получение данных от удаленных рабочих мест, интегрируемых в единую систему «Алгоритм» и связанных с Центральным рабочим местом по локальной сети или Интернету, передача на удаленные рабочие места команд оператора Центрального рабочего места или команд сценариев управления системы, или команд операторов «Интернет-клиентов» системы;

8) «Интеграционный клиент» - программа, устанавливаемая на интегрируемое в систему удаленное рабочее место, подключающаяся к «Интернет-серверу интегрируемых приложений», передающая\получающая данные или команды с Центрального рабочего места или передающая данные и получающая команды с «Интернет-клиентов» системы для их трансляции и выполнения интегрируемой системой, установленной на данном удаленном рабочем месте;

9) «Конфигуратор прибора С2000-Т и драйвер прибора С2000-Т» для конфигурирования, опроса и управления прибором «С2000-Т» с отображением данных опроса в журнале событий и на мнемосхемах системы.

2.3.1 Создание графической базы данных и задание необходимых настроек системы

Чтобы получать требуемую информацию и управлять объектом, необходимо создать проект в SCADA системе для данного объекта. Проект включает в себя создание базы данных и всю совокупность настроек окружения и внешнего вида программы, а также настройки интеграции с другими системами и программами. Проще говоря, чтобы система получала бы данные от необходимых нам драйверов или серверов, отображала бы данные в журнале событий и на мнемосхемах в удобном для нас формате, нам необходимо нарисовать необходимые нам мнемосхемы, связать параметры, выдаваемые драйверами с элементами мнемосхем, задав цвет отображения и категорию события (тревожное или нет), то есть создать некую базу данных системы.

Далее необходимо определить удобные для нас настройки самого приложения - «Главной задачи» и сформировать то программное окружение (например, запускаемые дополнительные программы), которое способствовало бы увеличению информативности, надежности и наглядности данного рабочего места.

Создание базы данных мнемосхем и подключаемых интерфейсов, настройка окружения и интеграции с другими системами включает следующие этапы:

1) создание новой базы данных для текущего проекта;

2) добавление и редактирование мнемосхем объекта;

3) добавление необходимых OPC серверов;

4) привязка тэгов добавленных OPC серверов к элементам мнемосхем;

5) импорт данных из интегрируемых систем ОПС и СКУД объекта по планам помещений и показываемых на них элементах охраны и контроля доступа в созданные мнемосхемы объекта (если нет интеграции с каким-либо программным обеспечением ОПС и СКУД объекта, как например АРМ «С2000», то данный этап можно пропустить, а сами изображения планов помещений, если потребуется, добавить в «Редакторе графических объектов»);

6) добавление мнемосхем для вывода графиков изменения значений определенных тэгов (если нет необходимости отображать изменение параметров или значений тэгов в виде графиков, то данный этап можно пропустить);

7) добавление ссылок на мнемосхемы или планы помещений

8) настройки окружения;

9) добавление паролей и уровней доступа для пользователей, работающих с программой.

Настройка внешнего вида программ может осуществляться как в ходе работы с базой данных или определяться правами пользователей системы.



2.4 Разработка операторского интерфейса

Операторский интерфейс должен отвечать следующим функциям:

- должен отображать максимальное количество информации о технологическом процессе без перегрузки для оператора;

- прост и доступен для любого уровня пользователя (интуитивно понятный интерфейс);

- иметь защиту от несанкционированного воздействия;

- иметь защиту от неправильных или случайных ошибочных действий оператора.

Весь процесс управления перекачкой газа был разделен на следующие этапы (уровни):

а) уровень цеха. На этом уровне отображается цеховая обвязка и все газоперекачивающие агрегаты изображены на рисунке 2.2;

б) уровень ГПА. Здесь отображены и выделены 4 объекта:

1) двигатель изображен на рисунке 2.3;

2) нагнетатель изображен на рисунке 2.4;

3) система смазки двигателя изображен на рисунке 2.5;

4) система смазки нагнетателя изображен на рисунке 2.6;

в) уровень технологического параметра, отображает всевозможные тренды температур, давление, перепадов давлений, уровни и расход изображен на рисунке 2.7.

Все кнопки на экранах выполнены в виде кнопок меню. По нажатию оператору предоставляется возможность выполнить ту или иную операцию по управлению тем или иным устройством, находящимся в том отсеке, как показано на рисунке 2.8. Этим достигается удобство управления.

Навигация по проекту осуществляется как с помощью горячих клавиш, так и по нажатию на соответствующую кнопку.



Рисунок 2.2 - Мнемосхема цеховой обвязки

Рисунок 2.3 - Мнемосхема двигателя

Рисунок 2.4 -Мнемосхема нагнетателя



Рисунок 2.5 - Мнемосхема системы смазки двигателя

Рисунок 2.6 -Мнемосхема системы смазки нагнетателя



Рисунок 2.7 - Экран трендов давления

Рисунок 2.8 - Пример мнемосхемы динамически появляющейся панели



3. Разработка телеуправления объектом водозаборной скважины по радиоканалу.

3.1 Структурная схема телеуправления

Рисунок 3.1 - Структурная схема управления по радиоканалу

3.2 Расчет радиопередающего устройства

Главная задача проектирования любого РПУ состоит в выборе наиболее эффективных, с технической точки зрения, путей реализации технических условий на проектируемое устройство. Обычно все содержит указания о назначении и условии эксплуатации проектируемого передатчика, его мощности, диапазона рабочих частот, видах модуляции и т.д.

Структурная схема передатчика с использованием прямого метода ЧМ изображена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2- Структурная схема передатчика с прямой ЧМ



Модулирующее напряжение U подается на варикап, с помощью которого модулируется по частоте кварцевый автогенератор (КГ). Кварцевый генератор работает на частотах 10-15 МГц, затем его частота умножается в n раз до рабочего значения, сигнал подается на усилитель мощности (УМ) и через цепь связи в антенну.

3.2.1 Расчет выходного усилителя мощности РПУ

Принципиальная схема усилителя мощности радиопередающего устройства с выходной цепью согласования представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Схема электрическая принципиальная оконечного каскада усилителя мощности

Амплитудой первой гармоники напряжения Uк1 на коллекторе определяется (3.1)

(3.1)



Еп=28В - напряжение питания.

РI ном =5 Вт- выходная мощность.

Угол отсечки коллекторного тока выбираем равным 900. Из графика для функций Берга:

б0=0,319; y0=0,319; а1=0,5; у1=0,5; у0(р-?)=0,319

Максимальное напряжение на коллекторе:

UКМАХ=ЕП+1,2Uк1 (3.2)

UКМАХ=28+1,2*27=60,4 В

Очевидно, что максимальное напряжение на коллекторе транзистора не превышает предельно допустимого.

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

(3.3)

Постоянная составляющая коллекторного тока:

(3.4)

Максимальный коллекторный ток:



(3.5)

Очевидно, что максимальный коллекторный ток и постоянная составляющая не превышает допустимого значения.

Максимальная мощность потребляемая от источника коллекторного тока:

(3.6)

КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке:

(3.7)

Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе:

(3.8)

Мощность, рассеиваемая на коллекторе, не превышает допустимую. Номинальное сопротивление нагрузки:

(3.9)



Рассчитываем входную цепь транзистора. Заметим, что в нашем случае выполняется условие (3.10).

(3.10)

Действительно (МГц). Поэтому, многие формулы в дальнейшем упростятся. Амплитуда тока базы:

(3.11)

Где величина определяется (3.12)

(3.12)

Напряжение смещения на эмиттерном переходе определим из (3.13), где Е_отс=0,6В

(3.13)



(3.14)

Заметим, что напряжения на базе не превышают предельно допустимые.

Определяем L_ВХ.ОЭ, r_ВХ.ОЭ, R_ВХ.ОЭ, r_ВХ.

(3.15)

(3.16)

(3.17)

Активная составляющая входного сопротивления транзистора:

(3.18)

Входная мощность:



(3.19)

Коэффициент усиления по мощности:

(3.20)

Для отсечки тока в 90⁰ на базу через блокировочную индуктивность подают смещение в Е_отс. Смещение может быть, как от источника напряжения, так и задано резистором (как в нашем случае), величина которого определяется из (3.21).

(3.21)

В соответствии со стандартным рядом номиналов резисторов принимаем Rсм=62 Ом

Блокировочные индуктивности цепей выбирают из соображений:



Блокировочные емкости выбирают из соображения (3.23)

(3.23)

В соответствии со стандартным рядом номиналов конденсаторов принимаем:

С_БЛ1=2,4нФ, С_БЛ2=1 нФ

Для данной цепи справедливы следующие соотношения:

(3.24)

(3.25)

(3.26)



Где R₀ - промежуточное сопротивление цепи согласования, в которое трансформируется сначала входное сопротивление R1 и из которого затем образуется выходное сопротивление R2. Для него должны выполняться следующие условия:

(3.27)

Зададимся R₀=7Ом при R1=72,9Ом и R2=75Ом. Получаем:

Зададимся емкостью С₂=2нФ. Тогда:

Откуда по известным формулам находим известные номиналы элементов цепи:

В соответствии со стандартным рядом номиналов конденсаторов принимаем:

С₁=200пФ, С₃=153пФ.



(3.28)

Где Q_L1 - добротность катушки - величина порядка 100…300. Выберем Q_L1=300.

3.2.2 Расчет предоконечного усилителя мощности

Принципиальная схема усилителя мощности с выходной цепью согласования аналогична предыдущему случаю и представлена на рисунке 3.3.

Все формулы аналогичны расчетным формулам для оконечного УМ, поэтому в дальнейшем будем ссылаться на них.

Амплитуда первой гармоники напряжения UK1 на коллекторе определяется (3.1)

Е_П=+4,7В - напряжение питания.

Р_{I ном} - выходная мощность (в нашем случае равна 1,6*10^-3Вт - входная мощность следующего каскада)

Угол отсечки коллекторного тока выбираем равным 900. Из графика для функций Берга:

б0=0,319; y0=0,319; а1=0,5; у1=0,5; у0(р-?)=0,319

Максимальное напряжение на коллекторе согласно (3.2):

U_КМАХ=4,7+1,22,5=7,7В

Очевидно, что максимальное напряжение на коллекторе транзистора не превышает предельно допустимого.

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

Постоянная составляющая коллекторного тока:

Максимальный коллекторный ток согласно (3.5):

Очевидно, что максимальный коллекторный ток и постоянная составляющая не превышает допустимого значения.

Максимальная мощность потребляемая от источника коллекторного тока согласно (3.6):

КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке согласно (3.7):

Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе согласно (3.8):

Мощность, рассеиваемая на коллекторе, не превышает допустимую. Номинальное сопротивление нагрузки согласно (3.9):

Рассчитываем входную цепь транзистора. Заметим, что в нашем случае выполняется условие (3.10).



Действительно (МГц). Поэтому, многие формулы в дальнейшем упростятся.

Амплитуда тока базы:

Где величина определяется (3.12)

Напряжение смещения на эмиттерном переходе определим из (3.13), где Е_отс=0,6В

Максимальное напряжение на эмиттерном переходе:

Заметим, что напряжения на базе не превышают предельно допустимые.

Определяем L_ВХ.ОЭ, r_ВХ.ОЭ, R_ВХ.ОЭ, r_ВХ.



Активная составляющая входного сопротивления транзистора (3.18):

Входная мощность (3.19):

Коэффициент усиления по мощности (3.20):

Для отсечки тока в 90⁰ на базу через блокировочную индуктивность подают смещение в Е_отс. Смещение может быть, как от источника напряжения, так и задано резистором (как в нашем случае), величина которого определяется из (3.21).

В соответствии со стандартным рядом номиналов резисторов принимаем Rсм=36кОм.

Блокировочные индуктивности цепей выбирают из соображений:



Блокировочные емкости выбирают из соображения (3.23)

В соответствии со стандартным рядом номиналов конденсаторов принимаем:

С_БЛ1=18нФ, С_БЛ2=0,27пФ

Для согласования выходного сопротивления транзистора с нагрузкой применяем согласующую цепь следующего типа (рис.3.2)

Зададимся R₀=2Ом при R1=1,9кОм и R2=21,4Ом. Получаем:

Зададимся емкостью С₂=1нФ. Тогда:

Откуда по известным формулам находим известные номиналы элементов цепи:

В соответствии со стандартным рядом номиналов конденсаторов принимаем:

С₁=91пФ, С₃=390нФ.

КПД цепи согласования определяется (3.28)

Где Q_L1 - добротность катушки - величина порядка 100…300. Выберем Q_L1=300.

Заметим, что напряжение питания данного каскада меньше, чем питание радиостанции. Для понижения питания с 12В до 4,7В будем использовать параметрический стабилизатор.

Выбираем импортный стабилитрон 1N523В с напряжением стабилизации 4,7В, током стабилизации 20мА, допустимо мощностью рассеяния 0,5Вт, со противлением стабилизации 19Ом.

Сопротивление резистора R1 выбираем согласно (3.29)

(3.29)

В соответствии со стандартным рядом номиналов резисторов принимаем R1=1,1кОм

3.2.3 Расчет входного каскада

Напряжение питания уменьшим до 7В, так как U_кэmax=15В

U_к1=0,7Еп=0,77=4,9В

Максимальное напряжение на коллекторе

U_{к max}=Еп+1,2Uк1? Uкдоп

U_{к max}=7+1,24,9=12,88<Uкдоп (выполняется)

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

Iк1=2Р_1ном/ Uк1=22310^-3/4,9=9,4мА

Iк0=(а₀/а₁)Iк1<I_{к0 доп}=30мА

Iк0=(0,319/0,5) 9,4=6мА<I_{к0 доп}

Максимальный коллекторный ток:



I_{к max}= Iк0/ а₀? I_{к0 доп}

I_{к max}= 610^-3/ 0,319=18мА<I_{к0 доп}

Максимальная мощность потребляемая от источника коллекторного тока:

Р_max= Р _0ном = ЕпIk06=7610^-3=42мВт

КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке:

Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе:

Р _{к max}= Р _0ном -Р1= 42-23=-19 мВт

Номинальное сопротивление нагрузки:

R _{эк ном}= (Uк1)/2 Р1=4,9²/25010^-3=510 Ом

Рассчитаем входную цепь транзистора, предполагается, что между базовым эмиттерным выводами по РЧ включают резистор Rд, сопротивление которого определяется:

R _Д= Я/2рfrСэ=120/23,1470010⁶310-¹²=9,1кОм



=

Максимальное обратное напряжение на закрытом эмиттерном переходе:

где Eотс- напряжение отсечки транзистора.

Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:

Iб0=Ik0/ Я=610^-3/120=50мкА

Iэ0=Ik0+ Iб0=610^-3+5010^-6=6,05мА

Напряжение смещения на эмиттерном переходе:



пФ

Активная и реактивная составляющая входного сопротивления транзистора

Входная мощность:

R2=Rд=9,1кОм

R1=(7/0,7-1)9,110³=81,9кОм По ряду Е24=82кОм

Напряжение источника питания по заданию 28В, а для питания входного каскада требуется 7В, следовательно21В надо погасить. Для этого составим RС цепочку

Rф=(Еп-U^,п)/I где Еп=28 В, U^,п=7 В

Iд= U^,п/(R1+R2)=7/(82*10³+9100)=77 мкА

I=Iд+I_k0=6*10^-3+0,077*10^-3=6,077 мкА

Rф=(12-7)/6,077*10^-3=823 Ом

По ряду Е24: Rф=820Ом

Емкость фильтра Сф=1000пФ

Расчет цепи согласования между входным каскадом УМ и предоконечным каскадом

R1=510 Ом

R2=430 Ом

q²>R1/R2-1=>q²=1.18

q=R1/X1>1,08=>X1=472 Ом

С1=1/w*X2=1/1,6ГГц472=1,3пФ

Ом

С2=1/wX2=1/1,6ГГц510=1,2пФ

Ом

Х_С3=1/wС3=1/1,6ГГц10^-12=620 Ом

L3=(X3- Х_С3) /w=(55-620)/1,610⁹=0,35 мкГн

q²>R1/R2-1=>q²=0,99

q=R1/X1>0,99=>X1=51 Ом

С1=1/wX1=1/1,6ГГц51=12 пФ

Ом

С2=1/wX2=1/1,6ГГц25=27 пФ

кОм

Х_С3=1/wС3=1/1,6ГГц10^-12=620 Ом

L3=(X3- Х_С3) /w=(3900-620)/1,610⁹=2 мкГн

3.2.4 Частотный модулятор

В ней включается варикап в задающем генераторе последовательно с кварцевым резонатором. Включение емкости последовательно с кварцевым резонатором в задающем генераторе увеличивает частоту генерации на небольшую величину. Такое явление называется затягиванием частоты кварца; величина затягивания может составлять (3-5)^.10^-5 от рабочей частоты кварца. В диапазоне 28 МГц можно получить величину затягивания (девиацию частоты) порядка 10 кГц. Включение последовательно с резонатором катушки индуктивности, наоборот, уменьшает частоту колебаний кварца. Катушка L1 предназначена для компенсации положительного ухода частоты кварцевого резонатора за счет подключения варикапа. Подстроечным сердечником этой катушки устанавливается исходное значение частоты резонатора.

Как правило варикапы требуют подачи исходного запирающего смещения, величиной которого можно выбирать исходное значение емкости варикапа. Это в свою очередь, определяет диапазон перестройки емкости под действием командной посылки, а значит и девиацию частоты. Он препятствует подключению параллельно варикапу выходных цепей шифратора, что могло бы ухудшить добротность частотозадающей цепи генератора. Конденсатор С1 препятствует проникновению высокочастотных колебаний из генератора в цепи шифратора.



3.2.5 Четырехканальный шифратор с частотным кодированием

Для формирования команд управления используется классический вариант автоколебательного мультивибратора на транзисторах. Из-за симметрии плеч мультивибратора, он вырабатывает практически прямоугольные колебания (меандр), частота следования которых определяется переключаемыми резисторами R3 -R6 и емкостями конденсаторов С2, С3.

Для повышения стабильности вырабатываемых частот напряжение питания мультивибратора стабилизировано микросхемой DA1. При указанных на схеме номиналах канальных резисторов обеспечивается генерация частот - 0,9кГц, 1,32кГц, 1,61кГц, 2,4кГц.

Транзистор VT3 представляет собой электронный ключ, через который в электронную цепь включается нагрузка - задающий генератор передатчика. Амплитуда выходных импульсов +5В, выходной ток - 200мА, что необходимо учитывать при соединении с передатчиком команд.

3.3 Радиоприемное устройство

К основным задачам, решаемым радиоприемным устройством, относятся:

- преобразование электромагнитного поля сигнала в электрический сигнал с помощью антенны;

- выделение полезных радиосигналов из совокупности других (мешающих) сигналов и помех, действующих на выходе антенны;

- усиление принимаемых сигналов до величины, необходимой для нормальной работы оконечных устройств;

- демодуляция принятого сигнала с целью выделения информации, содержащейся в полезном радиосигнале;

- обработка принимаемых сигналов с целью ослабления мешающего действия помех искусственного и естественного происхождения.

Радиоприемное устройство показанное на рисунке 1 предназначено для приема сигнала в диапазоне 27-29 МГц с использованием узкополосной частотной модуляции с девиацией частоты 2,5 КГц. Чувствительность такого приемника около 1мВ. Напряжение питания 5-9 В. Избирательность по соседнему и зеркальному каналам не хуже 40 дБ и 23 дБ соответственно. Приемник выполнен по супергетеродинной схеме на интегральной схеме К174ХА26.

Сигнал от антенны поступает на входной контур L1, С3, настроенный на частоту входного сигнала. С катушки связи L4 усиленный сигнал поступает на вход смесителя - микросхему DA1. Микросхема содержит в своем составе гетеродин, смеситель, УПЧ и квадратурный частотный детектор, опорный контур которого подключается к выводу 8.

Частота кварцевого резанатора должна отличаться от частоты входного сигнала на 465кГц (в меньшую или большую сторону). С выхода смесителя сигнал ПЧ через буферный каскад поступает на пьезокерамический фильтр ZQ2, который определяет селективность по соседнему каналу. С выхода фильтра ZQ2 сигнал поступает на усилитель-ограничитель ПЧ и частотный детектор, входящий в состав микросхемы DA1. Пятикаскадный УПЧ имеет коэффициент усиления по напряжению около 100. Детектор выполнен по схеме двойного баласного перемножителя. Для нормальной работы детектора необходим фазосдвигающий контур L4, С21. Резистор R5 шунтирует контур, расширяя тем самым его полосу пропускания. От него зависит чувствительность и уровень шума на выходе устройства. Продетектированный сигнал усиливается предварительным усилителем низкой частоты, который также находится в микросхеме DA1.

3.3.1 Дешифратор частотно-кодированных сигналов

Сигнал с выхода приемника поступает на входы всех четырех фильтров. Выходной сигнал будет максимален только у того фильтра, частота настройки которого совпадает с частотой командного сигнала. Переменное напряжение с его выхода (вывод 13 микросхемы DA1) выпрямляется детектором и поступает на вход компаратора, реализованного на нижнем по схеме операционном усилителе DA1. Напряжение на выводе 5 уменьшается и становится ниже опорного, подаваемого на вывод 6 от общего для всех фильтров делителя R3, R4. На выводе 9 микросхемы появляется высокий потенциал, который далее может использоваться для включения исполнительного устройства. Чувствительность компаратора можно регулировать подбором величины резистора R6. Входной сигнал должен быть не более 100 мВ, так как коэффициент передачи фильтров равен 50.



Заключение

В результате проделанной работы разработана автоматизированная система управления технологическим процессом вакуумной компрессорной станции Крапивинского нефтяного месторождения, имеющая два уровня.

Нижний уровень реализован на базе технологического контроллера SLC5/05 семейства SLC 500 фирмы AllenBradley с датчиками и контролируемыми приборами «Метран».

Верхний уровень реализован на базе персонального компьютера. Интерфейс оператора для ПК разработан на основе пакета SCADA системы «Алгоритм».

Разработана система телеуправления погружным насосом водозаборной скважины, находящейся на удалении от основного объекта, по радиоканалу с использованием радиопередающего устройства с шифратором и радиоприемного устройства с дешифратором команд управления.

программный автоматизация интерфейс радиоканал



Список литературы

1. Гавриленко И.И. Радиопередающие устройства. М.; «транспорт», 1983

2. Шахгильдян В.В., Шумилин М.С., Козырев В.Б. и др. Проектирование радиопередатчиков. М.: «Радио и связь», 1984.

3. Тарабрин Б.В. Интегральные микросхемы. М.: «Радио и связь», 1983.

Размещено на Allbest.ru

...