Введение 

Современная научно-техническая революция отличается бурным развитием и широким внедрением автоматического управления во всех отраслях производства.

Автоматизированные системы управления предусматривают не  только замену мускульной энергии человека при выполнении различных операций на технологических объектах, но и освобождение человека от выполнения производственных функций, связанных с его умственной деятельностью. Такими операциями являются сбор, запоминание и переработка информации, в том числе выполнение вычислительных операций и выработка управляющих сигналов. Кроме того, к таким операциям относится контроль за ходом технологического процесса.

Следовательно, важнейшее условие нормального функционирования системы автоматического управления — получение информации, правильно отражающей состояние объекта управления, ход технологического процесса.

Успехи в развитии отечественной нефтяной и газовой промышленности в значительной степени стали возможны вследствие создания и развития отечественного нефтяного приборостроения.

Существующие в настоящее время приборы исследования, регулирования и контроля разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений позволили перейти к созданию и внедрению информационно-измерительных систем для нефтедобывающих и газодобывающих предприятий.

Успешный процесс ведения переработки нефти и газа зависит от строгого контроля и поддержания на заданном уровне таких параметров, как давление, температура, расход, а также от контроля качества выходного продукта.

В моей курсовой работе мною рассматривается прибор температурного контроля – ТК-5.8. Этот прибор может применяться в различных отраслях промышленности для измерения, контроля и регулирования температуры в системах управления технологическими процессами.

8-канальный прибор температурного контроля используется в автоматизированных системах, а именно для сравнения температурных показателей различных сред и последующего анализа для воспроизведения задающего либо управляющего воздействия. Для конкретного примера мы можем привести нефтяную промышленность. В АГЗУ Спутник-Б для температурного анализа каждой нефтяной линии может применяться прибор температурного контроля ТК-5.8. При этом у нас нет необходимости ставить отдельный датчик на линию, и затем отдельный контроллер для обработки информации, достаточно просто подключить прибор на каждую линию. В результате получится более эффективное и менее затратное решение.
1. Теоретическая часть 

1.1 Назначение прибора ТК-5.8

Восьмиканальный прибор температурного контроля ТК-5.8 может применяться в различных отраслях промышленности для измерения, контроля и регулирования температуры в системах управления технологическими процессами. Контроллер ТК-5.8 может, в частности, заменить применяемые в настоящее время приборы СТ-136, АИН-М, и НК-1 (Венгрия).

Прибор используется в комплекте с датчиком ТСМ-0969, либо аналогичными датчиками, причем возможно использование одновременно датчиков двух типов.

Условия эксплуатации прибора ТК5.8 должны соответствовать условиям производственных помещений:

1.2 Технические характеристики 

Таблица 1.1

Окончание табл. 1.1

1.3 Устройство и принцип работы 

Рис. 1.1 Структурная схема прибора

В состав схемы блока управления и измерения входят следующие функциональные узлы:

• измерительный канал, состоящий из входных усилителей-преобразователей сопротивления в напряжение (А1-А8), коммутатора и аналого-цифрового преобразователя (AD7894);
• блок искрозащиты;
• центральный процессор (АТ89С52) с функциями управления коммутатором, АЦП и передачи сигналов на внешние устройства;
• 16-ти разрядный вакуумно-люминисцентный индикатор (ИЛЦ) с процессором управления (АТ89С51);
• элементы оперативного управления прибором (клавиатура и индикатор режимов);
• узел записи и хранения введенных уставок и характеристик ТСМ (EEPROM 24LC04B);
• схема передачи сигналов управления на блок реле в стандарте I2C;
• трансформатор питания и стабилизаторы напряжений.

Блок реле содержит следующие функциональные узлы:

• процессор приема и распознавания сигналов управления (АТ89С51), поступающих из блока управления и измерения в стандарте I2C;
• выходной канал, состоящий из цифро-аналогового преобразователей (ЦАП МАХ 521) и преобразователей напряжения в ток 4-20ма;
• выходной релейный канал, состоящий из токовых ключей К1109КТ23 и реле РЭС-48;
• трансформатор питания и стабилизаторы напряжений.

Прибор представляет собой восьмиканальный термометр. В качестве первичного датчика температуры могут применяться резистивные преобразователи типа ТСМ с градуировками 23 или 50.

По специальному заказу возможна поставка ТК-5.8, у которых требуемое количество каналов настроено на работу с резистивными преобразователи типа ТСМ с градуировкой 100.

Для исключения погрешности от сопротивления соединительных проводов применена схема преобразователя сопротивление-напряжение (R/U) с трехпроводной соединительной линией.

Выходное напряжение с преобразователя R/U (A1-A8) через коммутатор, управляемый процессором CPU1, поступает на аналого-цифровой преобразователь (A/D). A/D преобразует аналоговый сигнал в двоично-десятичный код. Код, пропорциональный измеренному напряжению, обрабатывается центральным процессором и далее через интерфейс I2C и оптронную развязку (АОТ128) поступает на плату индикации. Процессор на плате индикации (CPU2) выводит значение температуры на 17-разрядный семисегментный люминесцентный индикатор. Управление индика­тором осуществляется через высоковольтные ключи К1109КН2.

Значение уставок запоминается в энергонезависимом ПЗУ, микросхеме 24LC04B, которая находится на плате блока управления и измерения прибора ТК5.8.

Питание измерительная часть блока измерения получает через блок искрозащиты. Схема индикациии и процессор связи с компьютером запитаны от отдельных обмоток трасформатора.

Для модели 5.8К CPU1 преобразует информацию в стандарт RS232 и далее в RS485. В последнем случае процессор дополнительно выполняет функции связи прибора с персональным компьютером. Примененный стандарт RS485 позволяет подключать к одному компьютеру до 32 приборов ТК5.8

Управление режимами прибора производится кнопками 1...9 и Р с передней панели блока управления. Для моделей, имеющих в своем составе блок реле, двоично-десятичное значение температуры по каналу 12C через оптронную развязку АОТ101 и модуль приема на процессоре CPU3 выдается на модуль аналогового интерфейса стандарта 4-20мА (5.8Т).

Если в приборе используется режим уставок, то при выходе контролируемой температуры за пределы установленных порогов, информация об этом выдается на блок реле, где преобразуется из стандарта 12C в сигнал включения реле соответствующего канала и реле общего контроля.

Информация о текущем значении температуры по каждому каналу непрерывно поступает из прибора напрямую в ЦАП. ЦАП преобразует двоичное значение температуры в напряжение, а затем в ток стандарта 4-20мА.

Процессор управления реле и модуль аналогового интерфейса стандарта 4-20мА гальванически развязаны между собой.

За работой процессора и за питающим напряжением следит специальная схема, которая в случае отказа процессора или снижения напряжения ниже допустимого уровня отключает питание реле. Мигание светодиода "ИСПРАВНО" на блоке реле означает обесточивание реле вследствие сбоя питания либо неисправности в самом блоке. Повторное включение блока реле возможно не ранее чем через 10 сек после его выключения из сети.

Сетевое питание блока управления и блока реле - раздельное. Стабилизация вторичных питающих напряжений производится линейными интегральными стабилизаторами СН.

Конструкция прибора:

• Блок управления и измерения прибора выполнен на двух печатных платах. На первой плате рас­положена измерительная часть, на второй - схема индикации, кнопки управления и индикатор ре­жимов. Плата управления и индикации крепится к передней панели контроллера и через разъем подключается к основной плате. Доступ к платам для ремонта или регулировочных работ обеспе­чивается после снятия крышки корпуса.
• Блок реле и интерфейса 4-20мА выполнен в виде отдельной конструкции со своим независимым питанием и подключается к блоку управления и измерения четырехжильным кабелем длиной до двух метров. Внутри корпуса установлена печатная плата на которой расположены: процессор с силовыми ключами для управления реле, восьмиканальный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с усилителями тока 4-20мА, схема слежения за питающим напряжением и работой процессора, понижающий трансформатор с выпрямителями, фильтрами и стабилизаторами, а также 9-контактный разъем связи, 15 контактный разъем интерфейса 4-20мА и 37 контактный разъем выхода реле.

Реле общей аварии электронное с нагрузочной способностью 27В  0,5А. Контакты реле замкнуты в следующих случаях:

а)     при нормальной работе прибора;

б)    при снижении питающего напряжения (менее 198 В, но более 140 В) на время не более 2-х минут. Если до истечения 2-х минут после снижения напряжения ниже 198 В (но не ниже 140 В) питающее напряжение восстановится и превысит 198 В, то прибор автоматически выйдет на нормальный режим работы.

Реле разомкнуто:

а)     при питающем напряжении менее 140В;

б)    при выходе за пределы уставок температуры в каком-либо канале;

в)     при уменьшении питающего напряжения (менее 198 В, но не более 140 В) на время более 2-х минут.

Блок выполнен на одной печатной плате. Для ремонта или регулировочных работ доступ к плате осуществляется снятием верхней крышки.

1.4 Порядок работы 

Прибор может находиться в следующих режимах работы (номер режима отображается на одиночном семисегментном индикаторе):

• режим 1 - режим отображения данных по одному каналу;
• режим 2 - режим отображения данных по четырем каналам;
• режим 3 - режим ввода служебной информации по одному каналу;
• режим 4 - режим подключения (отключения) дополнительных устройств ввода - вывода информации;
• режим 5 - режим просмотра и обнуления записей о сработавших уставках;
• режим 6 - режим по канальной калибровки.

Режим отображения данных по одному каналу

Режим 1  устанавливается автоматически при включении прибора, либо нажатием кнопки “P” до появления цифры 1 на индикаторе режима работы.

В режиме 1 на основном индикаторе выводится следующая информация (рис 1.2):

Рис. 1.2

Если канал поставлен на контроль, то прибор следит за температурой и состоянием датчика в этом канале. В случаях выхода температуры за верхнюю или нижнюю уставки и при неисправности (замыкание, обрыв) датчика в канале стоящем на контроле прибор оповещает об этом выво­дом аварийной сигнализации на индикатор и на дополнительные устройства ввода - вывода.

В режиме 1  (см рис. 1.1) мигающая верхняя точка в левом крайнем разряде означает выход текущей температуры в каком либо канале (каналах) стоящем на контроле за пределы уставок либо неисправность датчика. Если за пределы уставок вышла температура в канале, информация о котором находится в данный момент на индикаторе, то текущие показания этого канала будут мигать. Если неисправен датчик в канале, информация о котором находится в данный мо­мент на индикаторе, то на месте текущих показаний будут выведены следующие символы:

           A0 - обрыв линии связи с датчиком ;

           A3 - замыкание линии связи с датчиком.

Если обрыв или замыкание линии датчика происходит в канале стоящем на контроле, то вышеуказанные символы будут мигать. Аварийный канал можно снять с контроля нажатием кнопки 3. При этом отключится вся аварийная сигнализация. Контроль канала можно восстановить выключением и включением блока управления или в 3-ем режиме.

В режиме 1 возможен просмотр информации по текущему каналу в ф. Выбор канала осуществляется циклически нажатием кнопки ­ или  ¯.

Режим отображения данных по четырем каналам

Режим 2 устанавливается нажатием кнопки Р до появления цифры 2 на индикаторе режима работы.

В режиме 2 на основном индикаторе выводятся значения текущих температур сразу для четырех каналов.

Рис. 1.3

В режиме 2 переключение групп каналов 1-4 / 5-8 осуществляется нажатием кнопки ­ или кнопки ¯. Показания текущей температуры будут мигать в случае ее выхода за пределы верхней или нижней уставок. На месте показаний текущей температуры канала могут быть:

• мигающие символы A0 - обрыв линии связи с датчиком;
• мигающие символы A3 - замыкание линии связи с датчиком.

Аварийные каналы можно снять с контроля нажатием кнопки Щ. При этом отключится вся аварийная сигнализация. Контроль каналов можно восстановить выключением и включением блока управления или в 3-ем режиме.

Режим ввода служебной информации одного канала

Режим 3 устанавливается набором кода 9, 1, 5 на клавиатуре. При установке режима 3 на индикаторе режима высвечивается цифра 3.

В режиме 3 на основном индикаторе выводится следующая информация:

Рис 1.4

В режиме 3  верхняя точка в крайнем левом разряде работает так же, как и в режиме 1. На месте показаний текущей температуры канала могут быть:

• символы A0 - обрыв линии связи с датчиком;
• символы A3 - замыкание линии связи с датчиком.

Если обрыв или замыкание линии датчика происходит в канале стоящем на контроле, то вышеуказанные символы будут мигать.

Поразрядное изменение уставок, смена  номера характеристики датчика и  номера  канала осуществляется с помощью кнопок:

          ¬, ® - передвижение курсора (мигающего символа) влево или вправо;

          ­, ¯ - изменение значения в позиции курсора.

Значение верхней и нижней  уставок меняется циклически от - 50 °С до 200 °С.

Номер характеристики может быть 2 (23-я характеристика) или 5 (50-я характеристика). Для каналов, настроенных для работы с ТСМ-100, должна быть установлена 23-я характеристика.

Номер канала может быть установлен от 1 до 8.

Снятие (постановка) канала на контроль осуществляется нажатием кнопки 3.  При этом меняется состояние горизонтальной линии в крайнем левом разряде. Светящаяся линия означает: канал не стоит на контроле.

Запись измененной в режиме 3 информации по данному каналу в долговременную память осуществляется нажатием кнопки ¿, после чего мигание символа в позиции курсора прекращается.

Долговременная память прибора организована на микросхеме 24LC04B, которая позволяет совершать 1000000 циклов записи и имеет срок хранения записанной информации без питания -10 лет.

При выходе из режима 3 без нажатия кнопки ¿ все внесенные изменения работают до выключения питания.

Выход из режима 3 в режим 1 или 2 осуществляется через режимы 4 и 5 нажатием кнопки “P”

Режим подключения дополнительных устройств ввода-вывода

Режим 4 устанавливается только из режима 3 нажатием кнопки “P”. При установке режима 4 на индикаторе режима высвечивается цифра 4.

В режиме 4 на основном индикаторе выводится следующая информация (рис 1.5):

Рис. 1.5

Второй слева разряд может принимать значения:

      Р - блок реле подключен;

      0 - блок реле отключен.

Третий слева разряд может принимать значения:

      Ч - токовый выход 4-20 подключен;

      0 - токовый выход 4-20 отключен.

Четвертый слева разряд может принимать значения:

      3 - прерывистый зуммер подключен;

      0 - прерывистый зуммер отключен.

Подключение (отключение) дополнительных устройств ввода - вывода информации в режиме 4 осуществляется с помощью кнопок:

           ¬, ® - передвижение курсора влево или вправо;

           ­, ¯ - изменение значения в позиции курсора.

Запись измененной в режиме 4 информации в долговременную память осуществляется на­жатием кнопки ¿, после чего устанавливается режим 5.

При выходе из режима 4 с помощью кнопки “P” все внесенные изменения работают до вы­ключения питания.

Если в режиме 4 блок реле подключен, то при выходе текущей температуры какого-либо канала за пределы верхней или нижней уставки в блоке реле будет включено реле верхней или нижней уставки данного канала и общее аварийное реле. При отсутствии или неисправности блока реле на основном индикаторе будет выдано сообщение:

Рис. 1.6

При подключении в режиме 4 токового выхода 4-20 мА восемь источников тока будут выда­вать токи, соответствующие текущим температурам в этих каналах по закону:

Ток:

;       (1.1)

Температура:      ;         (1.2)

При отсутствии или неисправности токового выхода на основном индикаторе будет выдано сообщение (рис. 1.7):

Рис. 1.7

Если в режиме 4 подключен прерывистый зуммер, то при возникновении любой неисправности пьезоизлучатель, находящийся в процессорном блоке, будет выдавать прерывистый звуковой сигнал.

Режим просмотра и обнуления записей о сработавших уставках

Режим 5 устанавливается только из режима 4 нажатием кнопки “P”. При установке режима 5 на индикаторе режима высвечивается цифра 5.

В режиме 5 на основном индикаторе выводится следующая информация (рис. 1.8):

Рис. 1.8

Просмотр записей о сработавших уставках в режиме 5 осуществляется с помощью кнопок:

           ­, ¯ - увеличение или уменьшение номера записи.

Нули в позициях номера канала и вида сработавшей уставки означают отсутствие в очередной записи информации о сработавших уставках.

Всего может быть зафиксировано 16 различных записей. Порядок записей соответствует порядку срабатывания уставок в реальном времени. Повторяющиеся записи (с одинаковым номером канала и видом сработавшей уставки) не фиксируются. Если канал не стоит на кон­троле никаких записей о нем создано не будет.

Все записи хранятся в долговременной памяти прибора и при отключении питания.

Стереть всю информацию о сработавших уставках (обнулить записи) можно только из режима 5 нажатием кнопки ¿ после устранения всех причин, вызывающих срабатывание уставок.

Выход из режима 5 в режим 1 осуществляется нажатием кнопки “P”.

Переход из режима 5 в режим 6 осуществляется нажатием кнопки 3.

Режим поканальной калибровки

В 6-ом режиме идет непрерывное измерение только одного канала, подлежащего калибровке. Остальные каналы не контролируются. Поэтому нельзя проводить калибровку на работающем в производственном цикле термоконтроллере ТК-5. Режим 6 устанавливается только из ре­жима 5 нажатием кнопки 3. При установке режима 6 на индикаторе режима высвечивается цифра 6.

В режиме 6 на основном индикаторе выводится следующая информация (рис. 1.9):

Рис. 1.9

Изменение номера канала осуществляется с помощью кнопок:

           ­, ¯ - увеличение или уменьшение номера канала.

Для всех каналов, подлежащих калибровке, следует установить 23-ий тип характеристики в 3-ем режиме.

Порядок калибровки канала:

а)     нажать кнопку 5 для нормализации калибровочных коэффициентов;

б)    подключить ко входу канала по трехпроводной схеме эталонное сопротивление, соответствующее 0°С: 53.00 Ома для ТСМ-23 или 100.00 Ом для ТСМ-100. Возможно подключение соответствующего датчика температуры, погруженного в тающий лед (погрешность измерений после калибровки в этом случае не нормируется);

в)     нажать кнопку 4 для записи коэффициента смещения нуля, при этом показания текущей температуры по данному каналу должны быть: 0.00 ± 0.02 °С;

г)     подключить ко входу канала по трехпроводной схеме эталонное сопротивление, соответствующее 100°С: 75.58 Ома для ТСМ-23 или 142.60 Ом для ТСМ-100. Возможно подключение соот­ветствующего датчика температуры, погруженного в кипящую воду (погрешность измерений после калибровки в этом случае не нормируется);

д)    нажать кнопку 6 для записи коэффициента масштабирования, при этом показания текущей температуры по данному каналу должны быть: 100.00 ± 0.02 °С.

После этого канал считается откалиброванным. После выполнения калибровки температура данного канала будет определяться с учетом калибровочных коэффициентов до вы­ключения питания блока управления и измерения.

Термоконтроллер поставляется откалиброванным на эталонных сопротивлениях.

Выход из режима 6 в режим 1 осуществляется нажатием кнопки “P”.

2. Расчётная часть.

Задание: «синтез логических устройств с несколькими выхода»

Пусть синтезируемое логическое устройство имеет входов и выходов (рис.1). На каждом из выходов должна быть сформирована определенная функция входных переменных. Эта задача могла бы быть решена синтезированием раздельно действующих узлов, каждый из которых реализовал бы определенную выходную функцию. Однако, если даже каждый из этих узлов будет построен минимальным образом, в целом логическое  устройство может оказаться не минимальным. Действительно, такое устройство могло бы быть минимизировано путем использования общих элементов в нескольких узлах, реализующих различные выходные функции.

Рис. 2.1

Из этих соображений приведение каждой из выходных функций к минимальной форме не является условием получения минимального в целом устройства. При минимизации устройства в целом некоторые из функций могут оказаться представленными в неминимальной форме.

Принцип получения минимальной формы устройства сводится к нахождению минимального набора членов с минимальным числом входящих в них букв, достаточного для получения всех формируемых устройством функций.

Рассмотри метод построения минимальных логических устройств с несколькими выходами, способ функционирования которого задана в таблице1.

Табл. 1

Записываем наборы аргументов, на которых хотя бы одна из выходных функций имеет значение 1. Рядом в качестве признака записываем функции, принимающие значение 1 при данном наборе аргументов (табл.2). Затем проводим операцию склеивания и получающиеся при этом члены заносим в таблицу 3., рядом с членами записываем признаки в виде функций, общих в признаках той пары членов табл.2, склеиванием которых они получены. Не проводится операция склеивания над членами, в признаках которых не имеется общих функций.

Табл. 2

Далее реализуется операция поглощения членами табл.3 членов табл.2. Операция поглощения может проводиться лишь над членами, имеющими одинаковую комбинацию функций в признаках.

Табл. 3

Склейка продолжается в таблице 4:

Табл. 4

Указанные операции склеивания и поглощения повторяются до тех пор, пока это возможно. Затем составляется импликантная таблица (табл.4). Определяется набор импликант, обеспечивающий перекрытие всех столбцов импликантной таблицы.

Записываем для выходных функций логические выражения, составленные из этих импликант, в признаках которых содержатся заданные функции:

На рисунке 2.2 приведена функциональная схема устройства, обеспечивающего заданное табл.1 функционирование. Как видно из схемы, ряд элементов участвует в формировании нескольких функций.

На рисунке 2.3 приведена функциональная схема устройства на микросхемах, причём каждая микросхема реализует несколько логических элементов «И» или «ИЛИ». Данная схема не является упрощённым вариантом, она сделана с помощью метода поэтапной минимизации каждого выхода.