ФЭА / АИТ / КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине: «Технические средства автоматизации» на тему: «Уровнемер ультрозвуковой ВЗЛЕТ УР»
(автор - student, добавлено - 24-02-2014, 20:13)
СКАЧАТЬ:
КУРСОВАЯ РАБОТАпо дисциплине: «Технические средства автоматизации» на тему: «Уровнемер ультрозвуковой ВЗЛЕТ УР»
ВВЕДЕНИЕ. 3 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 4 1. Назначение уровнемера У-1500. 4 2. Технические характеристики. 5 3. Общее устройство и принцип работы уровнемера. 7 РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ. 10 1. Исходные расчёты.. 10 2. Структура программы и схема эмуляции. 11 3. Разработка программы.. 12 4. Результаты эксперимента. 15 ВЫВОДЫ 17 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 18 ПРИЛОЖЕНИЕ. 19
ВВЕДЕНИЕРезервуары представляют собой весьма многочисленную группу технологических объектов, которые являются принадлежностью нефтяных промыслов, резервуарных парков, раздаточных и перевалочных баз, нефтехимических и химических предприятий. Во всех случаях в резервуарных парках выполняются две основные задачи − учет и хранение жидкости. Учет нефти и нефтепродуктов представляет собой измерение их объема или массы. В России принято измерять массу нефти и нефтепродуктов. Измерение массы в резервуарах может быть выполнено двумя способами: 1) измерением уровня нефти и нефтепродуктов и плотности их с последующим вычислением массы; 2) непосредственным измерением массы жидкости. На нефтяных промыслах, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах ряд технологических процессов связан с отстоем жидкости в емкостях открытого и закрытого (герметичного) типов. Контроль хода технологического процесса в этих емкостях предполагает необходимость измерения уровня жидкости и уровня раздела фаз. Приборы для измерения уровня жидкости можно классифицировать по следующим признакам. По назначению приборы можно разделить на три группы: 1) сигнализаторы, контролирующие предельные значения уровня; 2) уровнемеры, непрерывно измеряющие значение уровня; 3) измерители раздела двух сред. По принципу действия приборы можно разделить на механические, пьезометрические, электрические, акустические и радиоактивные. Принцип действия приборов в значительной степени определяется свойствами измеряемой среды, поэтому приборы в указанных группах, в свою очередь, подразделяются по устройству. Уровнемер ультразвуковой «ВЗЛЕТ УР» исполнений УР-2хх предназначен для автоматического бесконтактного измерения уровня жидких веществ с широким спектром свойств (включая агрессивные) в емкостях, хранилищах, резервуарах, открытых каналах и на других объектах. Двухканальное исполнение уровнемера позволяет одновременно обслуживать два объекта. Уровнемер может также применяться в качестве многоуровневого сигнализатора.
1. Назначение уровнемераУровнемер ультразвуковой «ВЗЛЕТ УР» исполнений УР-2хх предназначен для автоматического бесконтактного измерения уровня жидких веществ с широким спектром свойств (включая агрессивные) в емкостях, хранилищах, резервуарах, открытых каналах и на других объектах. Двухканальное исполнение уровнемера позволяет одновременно обслуживать два объекта. Уровнемер может также применяться в качестве многоуровневого сигнализатора. Уровнемер может применяться в различных отраслях промышленно-хозяйственного комплекса, включаться в состав информационно-измерительных систем, АСУ ТП и т.д. 3 2. Технические характеристикиУровнемер обеспечивает:
Основные технические характеристики уровнемера:
Потребляемая мощность, Вт.......................................................не более 20
Условия эксплуатации и степень защиты приведены в таблице:
3. Метрологические характеристики Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности измерения уровня ±4 мм. Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения уровня ∆ в зависимости от условий эксплуатации определяются по эмпирической формуле: , мм, где G – модуль температурного градиента газовой среды вдоль оси пьезоэлектрического преобразователя, °C/м; – коэффициент пропорциональности; D – измеренное значение дистанции до поверхности раздела сред, м; DR – дистанция до репера, м. Для АС с ТПС DR=0. Значение температурного градиента G определяется по формуле:
где – температура газовой среды около пьезоэлектрического преобразователя, °С; – температура газовой среды у поверхности раздела сред, °С. 4. Структурная схема двухканального уровнемера
Рис. 1.1. Общая структурная схема уровнемера ВЗЛЕТ УР
Уровнемер состоит из блока измерительного цифрового и одной или двух акустических систем с пьезоэлектрическими преобразователями. Кроме того, в состав уровнемера входят блоки коммутации и источник вторичного питания.16 Пьезоэлектрический преобразователь акустической системы предназначен для излучения и приема ультразвуковых колебаний. Для обеспечения точности измерений АС комплектуется ТПС либо специальным реперным отражателем. Блоки коммутации предназначены для соединения кабелей связи. Количество АС, входящих в состав уровнемера, зависит от вида исполнения прибора. Основными элементами БИЦ являются платы измерителя и вычислителя. Измеритель обеспечивает зондирование поверхности жидкости (формирует зондирующие импульсы для ПЭП, принимает и усиливает сигналы от ПЭП), измерение времени прохождения УЗС в прямом и обратном направлении и информационный обмен с платой вычислителя. Вычислитель осуществляет расчет вычисляемых параметров, информационный обмен с платой измерителя и внешними устройствами, архивирование информации, управляет работой электронных модулей внешних связей, жидкокристаллического индикатора и обеспечивает работу клавиатуры. Для обеспечения внешних связей уровнемера на плате вычислителя установлен электронный комбинированный модуль универсального выхода 0 и последовательных интерфейсов RS-232 и RS-485. Кроме того, по заказу на плату вычислителя дополнительно можно установить до двух электронных сервисных модулей внешних связей: - один или два 4-канальных модуля универсальных выходов; - модуль токового выхода; - модуль Ethernet.
Управление работой уровнемера и индикация измерительной, установочной, диагностической, архивной информации обеспечивается с помощью клавиатуры и графического ЖКИ. Период обновления текущей информации на экране ЖКИ составляет 1 с. Рис. 1.2. Датчик уровнемера У-1500
Измеритель представляет собой электронный блок, собранный в унифицированном корпусе. На лицевой панели размещены: цифровой дисплей, кнопки управления, тумблер питания, индикатор наличия питания "СЕТЬ", индикатор световой сигнализации "ТРЕВОГА". На задней панели размещены разъемы: сетевой ХЗ, искробезопасной цепи для подключения датчиков X1, аналогового и цифрового выходов Х2, выходных цепей ВСУ и НСУ Х4, а также держатель предохранителя, клемма заземления. Внутри корпуса установлены печатные платы, трансформатор и модуль искрозащиты. На печатной плате дополнительно может устанавливаться плата интерфейса RS-485. Измеритель устанавливается в помещении в настольном варианте или в щите.
Принцип действия уровнемера заключается в измерении интервала времени, необходимого для прохождения сигнала ультразвуковой волной расстояния от поплавка, положение которого определяется уровнем жидкости в резервуаре, до пьезоэлектрического преобразователя, расположенного на уровне крышки люка резервуара, и пересчете этого интервала в уровень жидкости. Пересчет производится путем вычитания вышеуказанного расстояния из высоты резервуара. Сигнал запроса (для краткости так будем называть электрический сигнал в виде прямоугольного импульса, который направляется на катушку индуктивности, расположенной в поплавке), выработанный микроконтроллером, попадает на катушку индуктивности и вызывает его кратковременные колебания, а вместе с ним и колебания поплавка и датчика. Полученный посредством этих колебаний ультразвук, поднимаясь по датчику, через некоторое время, дойдя до крышки люка резервуара, улавливается пъезоэлементом. Затем выработанный пъезоэлементом электрический сигнал через усилители приходит одновременно на опорный вход компаратора и на вход пикового детектора. Последний сохраняет значение его амплитуды и с приходом следующего сигнала отражения подаёт его на вход компаратора. Таким образом, этот сигнал не проходит на микроконтроллер, если его амплитуда меньше амплитуды предыдущего сигнала отражения, тем самым исключается возможность попадания на вход микроконтроллера случайных шумов, который он может воспринять как полезный сигнал. После прохождения компаратора сигнал отражения с помощью одновибратора приобретает требуемую длительность и поступает на микроконтроллер, программа в котором по измеренному промежутку времени вычисляет значение текущего уровня и выдаёт его на индикатор, на выход RS-485 и на аналоговый выход. При выходе текущего значения уровня за заданные пределы, микроконтроллер также направляет сигнал на звуковую и световую сигнализацию прибора. Одновременно с этим микроконтроллер опрашивает и сканирует клавиатуру, с помощью которого управляется прибор. Логическая часть измерителя реализована на однокристальном PIC-микроконтроллере PIC16C65A. Микроконтроллер PIC16C65A относится к семейству однокристальных PIC (Periferial Interface Controller) микропроцессорных устройств со встроенными ПЗУ и ОЗУ на базе КМОП фирмы Microchip Technology Inc.
РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ
В качестве расчётной части напишем программу работы уровнемеров типа У-1500, а затем задержку электрического сигнала во времени и выведем на индикатор значение текущего уровня, соответствующего этой задержке. Проводить работу будем с помощью пакета программ эмулирования электрических схем с микроконтроллерами Proteus. 1. Исходные расчётыДо начала составления программу проведём необходимые расчёты. Исходные данные для предварительных расчётов возьмём из технических характеристик рассмотренного в теоретической части данной курсовой работы уровнемера У-1500. Возьмём длину датчика уровнемера равной (он же будет высотой технологической ёмкости, в котором будет измеряться уровень):
Тогда, согласно техническим характеристикам, максимальный уровень, который способен измерить уровнемер равен:
Минимальный уровень, измеряемый прибором:
Дискретность показаний:
Рассчитаем необходимые для составления программы интервалы времени. Для дальнейших расчётов нам понадобиться скорость распространения ультразвуковой волны в твёрдых веществах. Из источника [7] имеем, что при температуре окружающей среды 20 °С скорость распространения ультразвука в любой упругой среде равна:
Сигналы запроса должны вырабатываться через интервал времени (он же будет промежутком времени, через который прибором будет осуществляться запросы текущего уровня в технологической ёмкости), определяемый условием (это условие необходимо, чтобы предотвратить появление следующего сигнала запроса, до прихода сигнала отражения):
Требуемая дискретность измерения времени:
Таким образом текущий уровень будет определяться по формуле: (2.1) где L – текущий уровень в технологической ёмкости, t – промежуток времени между посылкой сигнала запроса и сигналом отражения (для краткости так будем называть электрический сигнал, преобразованный пьезоэлектрическим преобразователем и приведённый в прямоугольный импульс заданной длительности и амплитуды с помощью электрических цепей усиления и формирования).
2. Структура программы и схема эмуляцииПрограмму будем составлять для микроконтроллера той же серии, который используется в расмотренном ранее уровнемере У-1500, PIC16F877.
Сигнал запроса формируем программно с помощью вывода RA5. После этого, с учётом времени ушедшей на формирование сигнала запроса, задаём предполагаемый уровень и сохраняём его в памяти. Уменьшаем это значение на определенное количество единиц и проверяем факт прихода сигнала отражения с помощью вывода RB7. Если сигнал отражения не появился, то предположение не подтверждено, и значение предполагаемого уровня уменьшаем ещё на такое же количество единиц. Если сигнал отражения появился, то предположение верно и значение уровня выводим на индикатор. Выводить значение текущего уровня будем на четырёхразрядный семисегментный индикатор, по принципу динамической индикации начиная с младшего разряда. Если сигнал отражения не появится вовсе, то будем сбрасывать микроконтроллер с помощью встроенного в него сторожевого таймера. Схема эмуляции измерения будет выглядеть следующим образом:
Рис 2.1. Схема эмуляции измерения Задержку сигнала во времени будем имитировать с помощью элемента транспортного запаздывания R1. Значение текущего уровня будем выводить на четырёхразрядный семисегментный индикатор с общим катодом по принципу динамической индикации, управляя инициализацией разрядов индикатора с помощью дешифратора U2. Также будем отслеживать сигналы запроса и отражения с помощью осциллографа. Заранее отметим, что для микроконтроллера выбираем резонатор с частотой 4 МГц. Выбор такой частоты будет пояснено в ходе описания программы. 3. Разработка программы1) Задание переменных LIST P=16F877 #INCLUDE <P16F877.INC> __CONFIG _CP_OFF & _WDT_ON & _PWRTE_OFF &_HS_OSC #DEFINE OUT PORTA,5 #DEFINE IN PORTB,7 INDF EQU 00H PC EQU 02H STATUS EQU 03H FSR EQU 04H
PORTA EQU 05H PORTB EQU 06H LEVEL EQU 20H LEVEL1 EQU 22H LEVEL0 EQU 23H INDEX EQU 14H COUNT EQU 15H MEMORY EQU 17H TEMP EQU 1BH TEMP1 EQU 1DH LED0 EQU 10H LED1 EQU 11H LED2 EQU 12H LED3 EQU 13H Предназначение переменных будет поясняться в ходе описания программы.
2) Задание направления работы портов:
ORG 00H ; START CLRWDT ; Сброс сторожевого таймера CLRF PORTA ; Обнуление CLRF PORTB ; портов BSF STATUS,5 ; MOVLW B'00000000' ; Программирование всех выводов порта А MOVWF TRISA ; на выход MOVLW B'10000000' ; Программирование выводов RB0…RB6 на выход, MOVWF TRISB ; вывод RB7 на вход BCF STATUS,5 ;
Измерение уровня будем производить в сантиметрах, затем переведём его на миллиметры (выбор такой единицы измерения будет пояснено далее).
3) Формирование и вывод сигнала запроса BSF OUT ; Формирование фронта сигнала запроса MOVLW .105 ; MOVWF TEMP ; Удержание сигнала DELAY DECFSZ TEMP,1 ; запроса на GOTO DELAY ; 320 мкс BCF OUT ; Формирование среза сигнала запроса С учётом времени, ушедшей на формирование сигнала запроса, задаём предполагаемое значение текущего уровня
MAIN MOVLW .122 MOVWF LEVEL
4) Проверка предположения
COUNT1 DECF LEVEL,1 ; Декремент содержимого регистра LEVEL на 1 см BTFSS IN ; Поверяем наличие сигнала отражения GOTO COUNT1 ; Если отсутствует, уменьшаем высоту на 1 см
В предварительных расчётах мы выяснили, что при преобразовании времени задержки сигнала в уровень 10 мм или 1 см уровня соответствует примерно 4 мкс времени задержки. Это значит, что если измерять уровень в см, то декремент содержимого регистра со значением уровня в программе следует выполнять каждые 4 мкс. Т.к. мы выполняем декремент за каждые 4 машинных цикла или за 16 импульса резонатора, нам следует взять резонатор с частотой 4 МГц. 5) Умножение результата измерения уровня на 10, для перевода результата измерения в миллиметры
CLRF LEVEL0 ; CLRF LEVEL1 ; Для умножения значения измеренного MOVLW .10 ; уровня на 10, столько же раз MOVWF TEMP ; складываем его с самим собой CYCLE3 MOVF LEVEL,0 ; ADDWF LEVEL0,1 ; BTFSC STATUS,0 ; Результат умножения сохраняем
INCF LEVEL1,1 ; в двухбайтовом регистре, BCF STATUS,0 ; где LEVEL0 – младший байт, DECFSZ TEMP,1 ; LEVEL1 – старший байт GOTO CYCLE3 ;
6) Преобразование двоичных чисел в двоично-десятичные
BIN2DEC BCF STATUS,0 ; Обнуление бита переноса MOVLW .16 ; Задание количества циклов обработки MOVWF COUNT ; значения измеренного уровня CLRF LED0 ; CLRF LED1 ; Обнуление регистров хранения CLRF LED2 ; двоично-десятичных чисел CLRF LED3 ; LOOP RLF LEVEL0,1 ; RLF LEVEL1,1 ; Выделение одного бита значения RLF LED0,1 ; измеренного уровня RLF LED1,1 ; DECFSZ COUNT,1 ; Условный переход на GOTO ADJDEC ; подпрограмму обработки SWAPF LED1,0 ; ANDLW 0FH ; MOVWF LED3 ; MOVFW LED1 ; Если преобразования значения ANDLW 0FH ; текущего уровня закончено, MOVWF LED2 ; распределяем полученные SWAPF LED0,0 ; двоично-десятичные числа ANDLW 0FH ; в регистры для MOVWF LED1 ; дальнейшего отображения MOVFW LED0 ; ANDLW 0FH ; MOVWF LED0 ; RETURN ; Возврат на ПП индикации ADJDEC MOVLW LED0 ; MOVWF FSR ; CALL ADJBCD ; С помощью косвенной MOVLW LED1 ; адресации выбираем MOVWF FSR ; регистр для обработки CALL ADJBCD ; GOTO LOOP ; ADJBCD MOVLW B’00000011’ ; ADDWF 0,0 ; MOVWF MEMORY ; BTFSC MEMORY,3 ; MOVWF 0 ; Непосредственное преобразование MOVLW B’00110000’ ; значения текущего уровня ADDWF 0,0 ; в двоично-десятичные числа MOVWF MEMORY ; BTFSC MEMORY,7 ; MOVWF 0 ; RETLW 0 ;
7) Вывод результата измерения на индикатор
IND CLRF INDEX ; MOVLW .255 ; Задаём количество больших MOVWF COUNT ; колец индикации CYCLE MOVLW LED0 ; ADDWF INDEX,0 ; MOVWF FSR ; MOVF INDF,0 ;
CALL TABLE ; Идём в ПП выбора кода для индикатора MOVWF PORTB ; Передача сигнала на индикатор MOVF INDEX,0 ; MOVWF PORTA ; Выбираем разряд индикатора MOVLW .255 ; Задерживаем MOVWF TEMP ; PAUSE DECFSZ TEMP,1 ; GOTO PAUSE ; INCF INDEX,1 ; MOVLW .4 ; BCF STATUS,2 ; SUBWF INDEX,0 ; BTFSS STATUS,2 ; GOTO CYCLE ; NOP ; CLRF INDEX ; DECFSZ COUNT,1 ; GOTO CYCLE ; NOP ; MOVLW B'00000000' ; Гашение всех разрядов MOVWF PORTB ; индикатора GOTO MAIN ; Переход на новый цикл измерения TABLE ADDWF PC,1 ; Выбор кода для индикатора RETLW B'00111111' ; Код для «0» RETLW B'00000110' ; Код для «1» RETLW B'01011011' ; Код для «2» RETLW B'01001111' ; Код для «3» RETLW B'01100110' ; Код для «4» RETLW B'01101101' ; Код для «5» RETLW B'01111101' ; Код для «6» RETLW B'00000111' ; Код для «7» RETLW B'01111111' ; Код для «8» RETLW B'01101111' ; Код для «9»
1) Проверим работу схемы на верхней границе измерения Согласно формуле (2.1) рассчитаем время задержки для максимального уровня:
В настройках элемента запаздывания R1 указываем это время. Запускаем схему.
Как видим на индикаторе, измерение верхней границы выполняется правильно. 2) Проверим работу схемы на нижней границе измерения Согласно формуле (2.1) рассчитаем время задержки для максимального уровня:
В настройках элемента запаздывания R1 указываем это время. Запускаем схему.
Как видим на индикаторе, измерение нижней границы также выполняется правильно.
3) В элементе запаздывания R1 вводим, например, время T = 0.000400 с. Согласно формуле (2.1) рассчитаем уровень соответствующей этой времени запаздывания:
Запускаем схему.
Видим, что значение уровня, соответствующего заданному времени задержки программа рассчитала правильно.
В теоретической части данной курсовой работы мы ознакомились с уровнемером У-1500, который не только выполняет непрерывное измерение уровня или границу раздела сред в резервуаре и выводит значение текущего уровня на индикацию, но также с помощью сигнализации сообщает выход этого значения из установленных границ и обменивается информацией с ЭВМ посредством интерфейса RS-485 и имеет аналоговый выход 0 − 5, 0 − 20 или 4 − 20 мА. При выполнении расчётной части мы разработали программу измерения текущего уровня в технологической ёмкости. Программа сохраняла в памяти микроконтроллера значение текущего уровня (например, для передачи на другие технические устройства согласно стандартным интерфейсам и протоколам), а также выводила значение текущего уровня на четырёхразрядный семисегментный индикатор по принципу динамической индикации. Эмулировав схему измерения в пакете программ Proteus и сымитировав задержку электрического сигнала во времени, мы показали правильность работы разработанной программы. .
Приложение 1 Пример установки уровнемера У-1500 в резервуар
Похожие статьи:
|
|