ФЭА / АИТ / Курсовая работа По дисциплине: «Устройство цифровой автоматики» На тему: «Уровнемер J-1500»
(автор - student, добавлено - 7-04-2014, 19:25)
СКАЧАТЬ:
По дисциплине: «Устройство цифровой автоматики»
На тему: «Уровнемер J-1500»
Содержание
Введение.. 3 Теоретическая часть.. 6 Технические характеристики. 7 Основные параметры уровнемера: 8 Устройство и работа уровнемера. 9 Описание электрической схемы платы измерительной. 10 Описание электрической схемы усилителя датчика. 12 Микроконтроллеры семейства PICmicro фирмы Microchip. 12 Среднее семейство микроконтроллеров Р1С16Схх. 14 Расчетная часть.. 21 Алгоритм определения неопределенных коэффициентов: 21 Приложение 1. 26 Приложение 2. 27 Список литературы... 32
Введение 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. Измерение уровня жидкости в резервуарах и емкостях - наиболее массовая и трудоемкая работа. Для измерения уровня в России и за рубежом было предложено много приборов, различающихся по принципу действия и конструктивному исполнению. 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, и 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. Механические приборы включают: 1) поплавковые, с чувствительным элементом, находящимся на поверхности измеряемой жидкости и передающим значение уровня указателю с помощью мерной ленты или троса; 2) буйковые, имеющие в качестве чувствительного элемента буек, связанный с компенсационным устройством, реагирующим на изменение выталкивающей силы, действующей на буек при изменении уровня погружения его в жидкость. К пьезометрическим приборам относятся: 1) барботажные, представляющие собой пневматическую трубку, имеющую выход для воздуха на фиксированном положении от дна резервуара; уровень определяется по давлению воздуха, прокачиваемого по трубке; 2) манометрические, определяющие уровень жидкости по давлению гидростатического столба жидкости, воспринимаемого манометром. Электрические приборы включают: 1) кондуктометрические, основанные на различии электропроводностей измеряемых сред; применяются в основном для контроля раздела сред; 2) емкостные, использующие различие диэлектрических свойств воздуха и измеряемой жидкости; 3) радиоинтерференционные, использующие изменения частоты радиоволн в зависимости от глубины погружения антенны колебательного контура в измеряемую жидкость. По способу передачи показаний уровнемеры бывают с местным отсчетом и дистанционного действия. Акустические уровнемеры В акустических уровнемерах уровень определяется по времени прохождения ультразвуковых волн от излучателя до уровня жидкости. В акустических уровнемерах обычно используетсяпринцип отражения звуковых волн от границы раздела жидкость - газ (воздух). Блок-схема ультразвукового уровнемера показана в приложении 1. В комплект прибора входят пьезоэлектрические излучатели 3, электронный блок 1 и вторичный прибор. Электронный блок состоит из генератора задающего частоту повторения импульсов, генератора 2 импульсов, посылаемых в измеряемую среду, приемного усилителя 4, измерителя времени 5. Генератор 1 управляет работой генератора 2 и схемой измерения времени. Генератор 2 формирует короткие импульсы для возбуждения пьезоэлектрического излучателя 5. Электрический импульс, преобразованный с помощью пьезоэлектрического излучателя в ультразвуковой, распространяется в жидкой среде, отражается от границы раздела жидкость - воздух и возвращается обратно, воздействуя на приемный излучатель, где снова преобразуется в электрический импульс. Импульсы (посланный и отраженный), разделенные во времени, поступают на усилитель. Уровень жидкости в резервуаре определяется по времени запаздывания отраженного сигнала относительно посланного. Уровню жидкости соответствует время
Где - высота уровня в резервуаре; - скорость распространения ультразвука в резервуаре. Для воды при скорость распространения ультразвука Зависимость скорости распространения ультразвука в воде от изменения температуры выражается формулой
Постоянное напряжение, пропорциональное времени запаздывания, подается на вторичный прибор.
Теоретическая часть
Описание и работа Уровнемер У1500 предназначен для автоматического, дистанционного, непрерывного определения положения границы раздела двух сред (уровня) в резервуаре по двум независимым каналам (датчикам) и отображения результатов измерений на цифровом дисплее с поочередной индикацией по каждому каналу, а также выдачи результата измерений в виде аналогового токового сигнала (только по первому каналу) и в виде цифрового сигнала по последовательному каналу в стандарте RS-485 для использования в системах управления, сигнализации и регистрации. Кроме того, предусмотрена возможность задавать и непрерывно контролировать два значения уровня: верхний сигнализируемый уровень (ВСУ) и нижний сигнализируемый уровень (НСУ), при достижении которых срабатывает звуковая и световая сигнализация, а также активизируются соответствующие реле и оптрон. В процессе работы ведется непрерывный контроль работоспособности датчиков и линий связи с соответствующей световой и звуковой сигнализацией отказов по каждому каналу. Область применения – сырьевые резервуарные парки и технологические емкости (буллиты) объектов подготовки, хранения и переработки нефти и головных нефтеперекачивающих станций. Уровнемер состоит из одного или двух датчиков и измерителя. Датчики, работающие с измерителем, могут устанавливаться во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок (в которых возможно образование взрывоопасных смесей категории ПВ согласно ПУЭ и другим директивным документам, регламентирующим применение электрооборудования во взрывоопасных зонах). Параметры измеряемой среды должны соответствовать следующим требованиям: - рабочее избыточное давление, МПа, не более 0,04 или 1,6; - диапазон температур, °С от 0 до +50; - плотность, г/см3, не менее 0,5; - вязкость - не ограничивается при отсутствии застывания измеряемой среды на элементах конструкции датчика и отсутствии отложений на поплавке, препятствующих его перемещению; - содержание сероводорода, %, не более 3.
Технические характеристики
Уровнемер обеспечивает: - автоматическое, дистанционное, непрерывное определение положения границы раздела двух сред (уровня) с различными плотностями и отображение результата измерения на цифровом дисплее по двум независимым каналам(датчикам) с поочередной индикацией результата измерения; -выдачу результата измерения в виде выходного токового сигнала (только по первому каналу); -выдачу результата измерения в цифровом виде по интерфейсу RS-485(только по отдельному заказу); - ручной ввод двух значений (верхний и нижний) уровня, при достижении которых срабатывают звуковая и световая сигнализации (только по первому каналу) - формирование при достижении заданных значениях уровней выходных дискретных сигналов в виде замыкания контактов реле и включения оптрона (только для первого канала); -автоматический непрерывный контроль исправности датчиков и линий связи с индикацией результата (для обоих каналов).
Основные параметры уровнемера:
Параметры подсистемы измерения уровня: - единица измерения – м; - число разрядов – 4; - условная длина датчика (L), м, от 2 до 15; - верхний предел измерения ( в зависимости от условной длины датчика – L), м, не менее, L – 0.8; - нижний предел измерения, м, не более 0,2; - дискретность измерения, мм, не более 10; - вариация показаний, мм, не более 10; - основная погрешность, мм, не более 10; - дополнительная температурная погрешность на каждые 10 °С измеряемой среды, мм, не более 20; - время установления показаний дисплея, с, не более 5; Визуальная цифровая индикация: - номер канала 1 разряд; - служебная информация 1 разряд; - измеряемый уровень 4 разряда; аналоговый (токовый) выход: 0-5, 0 - 20, или 4-20 мА; - относительная погрешность токового выхода, %, - 1; передача значения измеренных уровней и состояния датчиков каждого канала по интерфейсу RS-485 (протокол обмена по согласованию с заказчиком). Параметры выходных сигналов о достижении заданных уровней: оптронный выход: напряжение постоянного тока, В, не более 30; ток, мА, не более 30; релейный выход: напряжение постоянного или переменного тока, В, не более 30; ток, А, не более 0,1; Электрическое сопротивление изоляции оболочки датчика, Ом, не более 106; Устройство и работа уровнемера
Описание конструкции Уровнемер состоит из двух составных частей: - датчика, устанавливаемого на резервуаре; -измерителя, устанавливаемого на щите управления (см. рис1). Датчик и измеритель соединяются между собой кабелем типа РК-75 или РК-50. Конструктивно корпус датчика выполнен в двух исполнениях: -гибкая конструкция - для рабочего избыточного давления не более 0,04 МПа. -жесткая конструкция - для рабочего избыточного давления не более 1,6 МПа. Датчик состоит из элемента измерительного поз.1, помещенного в корпус поз.2, по которому перемещается поплавок поз.3 с магнитной системой внутри поплавка. Элемент измерительный представляет собой стальную проволоку-звуковод диаметром 3 мм с намотанной на нее по всей длине однослойной обмоткой. На верхнем конце звуковода имеется резонатор с двумя пьезоэлементами. Обмотка и пьезоэлементы подключены к блоку усилителя, установленному в головке корпуса датчика. Для крепления датчика на крышке люка резервуара предусмотрен сальниковый узел поз.4. Груз поз.3, обеспечивает натяжение трубы корпуса датчика гибкой конструкции. Ограничитель поз.6 ограничивает перемещение поплавка в пределах рабочей зоны. 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 Х1 , 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. 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 излучателя, расположенного на уровне крышки люка резервуара, до поплавка, положение которого определяется уровнем жидкости в резервуаре, и пересчете этого интервала в уровень жидкости. Пересчет производится путем вычитания вышеуказанного расстояния из высоты резервуара.
Описание электрической схемы платы измерительной
Логическая часть измерителя реализована на однокристальном PIC-микроконтроллере PIC 16C65A. Микроконтроллер PIC 16C65A (микросхема DD3) относится к семейству однокристальных PIC (Periferial Interface Controller) микропроцессорных устройств с встроенными ПЗУ и ОЗУ на базе КМОП фирмы Microchip Technology Inc. Микроконтроллер PIC 16C65 А имеет внешнюю энергонезависимую память (DD4) с электрической перезаписью с количеством циклов перезаписи до 10 млн. Связь обеспечивается по последовательному интерфейсу типа ГС. Цепь сброса микроконтроллера обеспечивается элементами R6, R7, VD1, Сб. Отраженный сигнал с линии связи после усиления на DA3 поступает на аналоговый ключ DA2-1, который закрывается для предотвращения перегрузки следующих каскадов усиления во время подачи стартового импульса. Далее сигнал усиливается усилителем DA4. На микросхеме DА5 реализован пиковый детектор, который запоминает амплитуду отраженного сигнала. Компаратор DA6 срабатывает при достижении уровня отраженного сигнала значения, определяемого амплитудой предыдущего отражения. При этом одновибратор DD5-2 формирует импульс, время прихода которого регистрируется микроконтроллером для вычисления уровня. На микросхеме DD6 реализован интерфейс RS485, выходные цепи которого гальванически изолированы при помощи оптронов от цепей микроконтроллера. Значение измеряемого уровня подается в виде импульсов, модулированных по ширине на RC-цепи R22, С13 для выделения амплитуды сигнала. На микросхеме DA1-1 реализован высокоомный повторитель, на микросхеме DA1-2, DA1-3 осуществляется преобразование напряжения в ток. Резистор R23 обеспечивает регулировку верхней границы токового выхода, R29 - нижней границы. Микросхема DA1-4 осуществляет сдвиг токового сигнала для исполнения 4-20 мА. Реле К1-1 (К 1-2) включается при достижении верхнего (нижнего) сигнализируемого заданного уровня, эти сигналы дублируются также включением оптронов DV4, DV5. Импульсы генератора DА7 поступают на транзисторные ключи VT2, VT3, которые, проходя через конденсатор С30, коммутируют первичную обмотку разделительного трансформаторе, (формирует гальванически изолированное напряжение) в модуле искрозащиты при использовании в нем платы искрозащиты. При использовании платы искрозащиты выход генератора отключен (не устанавливается С30), а на соответствующий вход модуля искрозащиты подано напряжение +5В, для питания конвертера DC/DC. Стабилизированные напряжения цепей питания обеспечиваются интегральными стабилизаторами DU1- DU4
Описание электрической схемы усилителя датчика
Импульс запуска поступает по линии связи через эмиттерный повторитель на VT1 и далее на транзисторный ключ на VT2, который коммутируя свою нагрузку - первичною обмотку трансформатора Т1 формирует выходной импульс амплитудой 60 В на вторичной обмотке Т7 поступающий на излучающие пьезоэлементы датчика для получения зондирующего акустического сигнала. Отраженный сигнал усиливается двумя идентичными усилительным: каскадами, построенными на транзисторах VT4 и VT5 по схеме с общим эмиттером, и далее через согласующий эмиттерный повторитель в транзисторе VT3 поступает на линию связи. Ограничительный диод VS1 служит для грозозащиты усилителя. Плата усилителя подключается к элементу измерительном согласно схеме электрической принципиальный датчик.
Микроконтроллеры семейства PICmicro фирмы Microchip.
Микроконтроллеры PICmicro построены по RISC (reduced instruction set computer) архитектуре. Это предполагает, что все инструкции имеют одну длину и выбираются за один машинный цикл. Набор инструкций этих микроконтроллеров широкий, тщательно подобранный специально для задач управления. Гарвардская архитектура процессора, широкое слово инструкции, очередь команд, RISC набор команд, - все это позволило добиться очень высокого быстродействия и получить очень компактный код. Все команды микроконтроллера, за исключением команд перехода, выполняются за один машинный цикл, который составляет 4 периода тактового генератора. Так, например, на тактовой частоте 20 МГц производительность микроконтроллеров достигает 5 MIPS. Все микроконтроллеры PICmicro имеют расположенную на кристалле кодовую память. Большинство микроконтроллеров снабжено дешевой однократно программируемой (OTP) памятью. Большое значение фирма Microchip уделяет именно OTP памяти расположенной на кристалле микроконтроллера. Применение OTP памяти в сравнение с масочной дает массу преимуществ микроконтроллерам семейства: изделия на базе PICmicro становятся гибкими, легко модифицируются коды программ под требования конечного пользователя, экономически выгодным становится выпуск изделий мелкими сериями, уменьшается время на разработку изделий. Политика фирмы заключается в приближении цены микроконтроллеров с OTP память к микроконтроллерам с масочной памятью. Наряду с OTP кодовой Памятью Microchip выпускает и микроконтроллеры с масочной памятью, а также перепрограммируемой памятью с ультрафиолетовым стиранием и FLASH памятью. Микроконтроллеры PICmicro работают в очень широком диапазоне частот - 0...33 МГц и имеют несколько режимов встроенного тактового генератора, который позволяет работать на частотах от 32 kHz до 33 MHz Существуют режимы внешнего и внутреннего RC генераторов. Микроконтроллеры не требуют традиционных внешних цепей для формирования сигнала сброса. Они вырабатывают его автоматически при включении питания или при подаче внешнего сигнала сброса. Процессоры семейства PICmicro работают в очень широком диапазоне питающих напряжений, у некоторых образцов питание может изменятся в пределах от 2.0 до 6.0 Вольт. Микроконтроллеры характеризуются и очень низкими токами потребления. Так, например, Р1С16С5х на частоте 32 kHz потребляет 12 мкА, на частоте 4 MHz - 2 мА, на частоте 20 MHz - 9 мА. В режиме пониженного энергопотребления потребление уменьшается до 0.25 мкА.
Среднее семейство микроконтроллеров Р1С16Схх
Среднее семейство PICmicro является развитием базового и характеризуется модифицированным ядром процессора. Это семейство является самым многочисленным представителем PICmicro, ему свойственна самая разнообразная номенклатура корпусов и периферии. Среднее семейство имеет, 14-битную ширину инструкции, контроллер прерываний и глубокий 8 уровневый стек. Максимальная скорость выполнения команд - 5 MIPS на частоте 20 MHz. Система команд включает в себя 35 однословных инструкции. В качестве периферии микроконтроллеры этого семейства имеют: ОЗУ (до ~ 384 байт), двунаправленные порты ввода/вывода с током нагрузки до 25 мА, таймеры-счетчики, компараторы, 8-бйтные АЦП, последовательные каналы (I2С, SPI, USART), устройства выборки и сравнения, ШИМ, контроллер ЖКИ, параллельный порт, программируемые источники опорного напряжения, сторожевой таймер и т.д. Микроконтроллеры семейства выполнены в 18, 20, 28, 40, 44 выводных корпусах, типы корпусов - DIP, SOIC, SSOP, LCC, QFP. Допускается широкий диапазон питающих напряжений с нижней границей напряжение - 2.0 В. Основное развитие получают два семейства: среднее РIC1бСхх и Р1С12Схх. Основная масса новых микроконтроллеров должна появиться именно в этом среднем семействе РIС1бСхх. В новых изделиях Microchip основной акцент сделал на появлении 10 разрядного АЦП. Практически во всех новых изделиях, имеющих АЦП, разрядность последнего увеличена до 10. Предполагается выпустить 16 микроконтроллеров с FLASH памятью, во всех микроконтроллерах с FLASH памятью и в некоторых с OTP появляется энергонезависимая память данных EEPROM с объемом до 128 байт. В среднем семействе появляются и новые корпуса - это 14 и 20 выводные корпуса в DIP, SOIC и SSOP исполнении. Серьезным признаком, no которому можно судить о популярности микроконтроллеров, является наличие, стоимость и доступность нструментальных средств. Microchip уделяет этим факторам очень серьезное внимание. Фирма предлагает собственный пакет инструментальных средств MPLAB, включающий в себя весь набор инструментальных средств, начиная от компилятора и заканчивая внутрисхемным эмулятором и программатором. Наряду с этим, ежегодно фирмой Microchip публикуется список фирм, осуществляющих инструментальную поддержку PICmicro. Так в список 1997 года входило более 50 производителей инструментальных средств. Одной из таких фирм является российская фирма Фитон (Phyton), предлагающая полный набор инструментальных средств PROJECT-PIC. В состав пакета PROJECT-PIC входят: интегрированная среда разработки, макроассемблер, программный симулятор, внутрисхемный эмулятор и программатор. Программатор предназначен для программирования однокристальных микроконтроллеров фирмы MICROCHIP серии PIC, а также микросхем памяти EEPROM серии 24Сххх. Основные технические характеристики микроконтроллеров PIC16C65A: 33 команды: - все команды выполняются за один цикл (200 нс на 20 МГц), кроме команд перехода (2 цикла) - рабочая частота 0 Гц ... 20 МГц (min 200 нс цикл команды) - 12-битовые команды 8-битовые данные -7 (8) специальных аппаратных регистров SFR двухуровневый аппаратный стек - прямая, непосредственная, косвенная и относительная адресация данных и команд
-12 (20) линий ввода-вывода с индивидуальной настройкой - максимальный втекающий ток - 10 мА максимальный вытекающий ток - 10 мА - 8-битный таймер/счетчик RTCC с 8-битным программируемым предварительным делителем - автоматический сброс при включении - таймер включения при сбросе - Watchdog-таймер (WDT) с собственным встроенным генератором, обеспечивающим повышенную надежность EPROM бит секретности для защиты кода - биты идентификации - экономичный режим SLEEP - выбираемые пользователем биты установки режима возбуждения встроенного генератора: 1. RC генератор (RC) 2. обычный кварцевый резонатор (XT) 3. высокочастотный кварцевый резонатор (HS) 4. экономичный низкочастотный кристалл (LP) - встроенное устройство программирования EPROM памяти программ (используются только два вывода) экономичная высокоскоростная КМОП ЕPRОМ технология - статический принцип в архитектуре - широкий диапазон напряжений питания и температур: 1. коммерческий: 2,0..6,0 В; 0...+70 °С 2.промышленный: 2,0…6,0; -40...+70 °С - низкое энергопотребление: 1. 2 мА (типично для 5 В, 4 МГц) 2. 15 мкА (типично для 3 В, 32 кГц) 3. 1 мкА (в режиме ожидания при 3 В) Регистры памяти данных (ОЗУ)-разделяются на две функциональные группы: специальные регистры и регистры общего назначения. Специальные регистры включают в себя регистр таймера/счётчика реального времени (ТМRО), счётчик команд (PC), регистр состояния (STATUS), регистры ввода/вывода (PORT) и регистр косвенной регистрации (FSR). Кроме того, специальные регистры управляют конфигурацией портов ввода/вывода и режимов предварительного делителя. Регистры общего назначения используются программой для хранения переменных по усмотрению пользователя. В микроконтроллерах семейства PIC 16С65А существует прямая и косвенная адресация всех регистров и ячеек памяти. Все специальные регистры и счётчик команд также отображаются на память данных. Микроконтроллеры PIC16C65A имеют ортогональную (симметричную) систему, команд, позволяющую выполнять любую операцию с любым регистром, используя любой метод адресации. Это облегчает программирование для них, и значительно уменьшает время, необходимое на обучение работе с ними. В микроконтроллерах PIC16C65А имеется 8-разрядное арифметико-логическое устройство (АЛУ) и рабочий регистр W. АЛУ выполняет сложение, вычитание, сдвиг, битовые и логические операции. В командах, имеющих два операнда, одним из операндов является рабочий регистр W. Второй операнд может быть константой или содержимым любого регистра ОЗУ. В командах с одним операндом, операнд может быть содержимым рабочего регистра или содержимым любого регистра ОЗУ. Для выполнения всех операций АЛУ используется рабочий регистр W, который не может быть прямо адресован. В зависимости от результата выполнения операции, могут измениться значения битов переноса С, десятичного переноса DC и нуля Z в регистре состояния STATUS. При вычитании биты С и DC, работают как биты заёма и десятичного заёма, соответственно. Регистр STATUS доступен для любой команды также, как и любой регистр. В его состав входят так же биты ТО и PD, которые устанавливаются аппаратно и не могут быть изменены программно. Данные разряды устанавливаются в соответствующие состояния при включении питания, сбросе и переходе в режим SLEEP. Производя их программный опрос, можно определить способ запуска программы. Семейство микроконтроллеров PIC16C65A содержит двухуровневый аппаратный стек. При выполнении команды обращения к подпрограмме в вершину стека загружается счетчик команд, предварительно увеличенный на единицу. Одновременно старое значение из вершины стека копируется в стек уровня 2. Одним из основных достоинств портов ввода/вывода является то, что программа может считывать и записывать данные в них аналогично регистрам общего назначения. При чтении всегда считывается действительное состояние выводов независимо от того, запрограммированы отдельные разряды как входы или как выходы. После сброса все разряды программируются как входы. Выходы портов представляют собой защёлки и их состояние не меняется до следующей записи в порт. Установка режима каждого разряда во всех портах производится при помощи установки соответствующих разрядов в регистрах управления режимами портов TRIS (TRISA, TRISB или TRISC). Модуль таймера (TMR0) в данных микроконтроллерах имеет следующие особенности: - 8-разрядный таймер/счетчик, доступный по чтению и записи; - 8-разрядный программируемый предварительный делитель, который может быть программно подключен или к таймеру или к таймеру WDT; - внутреннее или внешнее тактирование, при этом может быть выбран фронт тактирующего импульса. Таймер имеет два режима работы: режим таймера и режим счетчика. В режиме таймера TMR0 увеличивается в каждом командном цикле (если нет предварительного делителя). В режиме счетчика TMR0 увеличивается по каждому перепаду 1/0 или 0/1 на выводе TOCK1. Перепад увеличивающий значение TMR0 выбирается установкой соответствующего бита в служебном регистре OPTION, который программно доступен по записи. В этом же регистре производится установка режима работы предварительного делителя (TMR0/WDT) и значение коэффициента деления. Семейство микроконтроллеров PIC16C65А имеет набор специальных функций, предназначенных для расширения возможностей системы, минимизации стоимости, исключения навесных компонентов, обеспечения минимального энергопотребления и защиты кода программы от считывания. В состав данных функций входит: - выбор типа генератора - таймер сброса (DRT) - сторожевой таймер (WDT) - режим пониженного энергопотребления (SLEEP) - защита кода программы от считывания - биты идентификаций Микроконтроллеры семейства PIC16С65A, кроме PIC16C52, имеют встроенный сторожевой таймер WDT, который может бить выключен только через бит конфигурации, задаваемый при программировании. Для повышения надёжности он работает от собственного RC-генератора. Таймер сброса DRT предназначен для поддержания контроллера в сброшенном состоянии в течение 18 мс после включения питания для стабилизации работы генератора. Наличие этих таймеров позволяет во многих применениях отказаться от схемы внешнего сброса. Режим пониженного энергопотребления SLEEP предназначен для обеспечения очень малого тока потребления в режиме ожидания (менее 1 мкА при выключенном сторожевом таймере). Выход из режима SLEEP возможен по внешнему сигналу сброса или по окончанию выдержки сторожевого таймера. Возможность выбора типа генератора позволяет эффективно использовать микроконтроллеры семейства в различных приложениях. Использование RC-генератора позволяет уменьшить стоимость системы, а LP-генератор на низкочастотном кварцевом резонаторе сокращает энергопотребление. Защита кода программы и установка кода идентификации производится путём установки соответствующих разрядов в слове конфигурации при программировании микроконтроллеров. Для разработки и отладки программных модулей свободно распространяется ассемблер MPASM, симулятор MPSIM, интегрированная система отладки для Windows МРLАВ, а также большое число хорошо документированных примеров применения микроконтроллеров PIC в различных областях с исходными текстами. Для аппаратной поддержки режиме программирования микросхем имеются различные типы программаторов, подключаемых к компьютерам типа IBM РС. Существуют типы программаторов, которые можно подключать непосредственно к рабочей плате контроллера, что значительно ускоряет отладку. Программирование микроконтроллеров производиться через последовательный канал, в качестве которого используются два разряда порта ввода/вывода. Режим программирования задается путём установки на выводе сброса микроконтроллера напряжения +12 В.
Алгоритм определения неопределенных коэффициентов: 1. Исходное уравнение разбить на систему уравнений, равных числу строк в таблице истинности. 2. Напротив каждого выражения поставить соответствующее значение функции. 3. Выбрать строку, в которой значение функции и приравнять все к нулю. 4. Просмотреть строки, где функция имеет единичное значение, и вычеркнуть все коэффициенты, встречающиеся в нулевых строках. 5. Проанализировать оставшиеся коэффициенты в единичных строках. 6. Используя правило, что дизъюнкция равна 1 если хотя бы один из, выбрать min-термы минимального ранга. Причем отдавать предпочтение коэффициентам, встречающимся в нескольких уравнениях одновременно. 7. Записать исходный вид функции. Задание: По заданной таблице истинности методом неопределенных коэффициентом минимизировать логическую функцию.
Решение:
Проверка минимизации с помощью программы Electronics Workbench: Для этого используя пакет Electronic Workbench построим схему (рис. 1) и проанализируем его работу, подключив логический преобразователь (рис. 2).
Рис. 1
Открыв логический преобразователь нажав кнопку получим исходную функцию, после чего нажав кнопку получим минимизированную функцию.
Рис. 2
Заключение
В данной курсовой работе я расмотрел работу ультразвукового уровнемера J 1500. Были рассмотрены его технические характеристики, основные параметры его устройство и работа. Также были рассмотрен микроконтроллеры семейства PICmicro фирмы Microchip. В расчетной части я выполнил минимизацию функции методом не определенных коэффициентов. Схема соединений
Приложение 2 Блок-схема ультразвукового уровнемера
Оглавление Введение 3 Теоретическая часть 5 1. Назначение уравнемера У1500_ 5 2. Технические характеристики_ 6 3. Общее устройство и принцип работы уровнемера_ 8 4. Устройство и работа составных частей уровнемера_ 12 Расчетная часть_ 14 Метод Квайна – Мак-Класки_ 14 Заключение 21 Список использованной литературы_ 22 Приложение 1_ 23
Введение Резервуары 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. Измерение уровня жидкости в резервуарах и емкостях — наиболее массовая и трудоемкая работа. Для измерения уровня было предложено много приборов, различающихся по принципу действия и конструктивному исполнению. 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. По способу передачи показаний уровнемеры бывают с местным отсчетом и дистанционного действия. Уровнемер У1500 предназначен для автоматического, дистанционного, непрерывного определения положения границы раздела двух сред (уровня) в резервуаре по двум независимым каналам (датчикам) и отображения результатов измерений на цифровом дисплее с поочередной индикацией по каждому каналу, а также выдачи результата измерений в виде аналогового токового сигнала (только по первому каналу) и в виде цифрового сигнала по последовательному каналу в стандарте RS-485 для использования в системах управления, сигнализации и регистрации. Необходимо отметить, что уровнемер устойчив к агрессивным воздействиям внешней и внутренней среды, и имеет взрывобезопасное исполнение. Также У1500 имеет высокую степень защиты от соприкосновения персонала с токоведущими частями. Область применения уровнемера - сырьевые резервуарные парки и технологические емкости (буллиты) объектов подготовки, хранения и переработки нефти и головных нефтеперекачивающих станций. Принцип действия – акустический.
Теоретическая часть
1. Назначение уравнемера У1500Уровнемер У1500 предназначен для автоматического, дистанционного, непрерывного определения положения границы раздела двух сред (уровня) в резервуаре по двум независимым каналам (датчикам) и отображения результатов измерений на цифровом дисплее с поочередной индикацией по каждому каналу, а также выдачи результата измерений в виде аналогового токового сигнала (только по первому каналу) и в виде цифрового сигнала по последовательному каналу в стандарте RS-485 для использования в системах управления, сигнализации и регистрации. Кроме того, предусмотрена возможность задавать и непрерывно контролировать два значения уровня: верхний сигнализируемый уровень (ВСУ) и нижний сигнализируемый уровень (НСУ), при достижении которых срабатывают звуковая и световая сигнализация, а также активизируются соответствующие реле и оптрон. В процессе работы ведется непрерывный контроль работоспособности датчиков и линий связи с соответствующей световой и звуковой сигнализацией отказов по каждому каналу. Область применения - сырьевые резервуарные парки и технологические емкости (буллиты) объектов подготовки, хранения и переработки нефти и головных нефтеперекачивающих станций. Уровнемер состоит из одного или двух датчиков и измерителя. В зависимости от количества подключаемых датчиков, рабочего давления датчиков, наличия токового выхода, наличия внешнего интерфейса RS-485, уровнемер имеет 16 вариантов исполнения. По устойчивости к воздействиям температуры и влажности Уровнемер в части воздействия механических факторов внешней среды соответствует группе исполнения L2 ГОСТ 12997-84. По степени защиты персонала от соприкосновения с токоведущими частями, а также по степени защиты внутренних частей от попадания твердых посторонних тел и проникновения воды датчик соответствует степени защиты IP65, измеритель - IP20 по ГОСТ14254-80. Измеритель с входными/выходными электрическими Датчики, работающие с измерителем, имеют маркировку “1ExibIIBT6 в комплекте У1500", соответствуют ГОСТ 22782.5-78, ГОСТ 22782.0-81 и могут устанавливаться во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок (в которых возможно образование взрывоопасных смесей категории IIB, групп Т1, Т2, ТЗ, Т4, Т5, Т6 по классификации ГОСТ 12.1.011) согласно гл. 7.3 ПУЭ и другим директивным документам, регламентирующим применение электрооборудования во взрывоопасных зонах. Параметры измеряемой среды должны соответствовать следующим требованиям: рабочее избыточное давление (в зависимости от исполнения корпуса датчика), МПа, не более ………………..………………… 0,04 или 1,6 диапазон температур, °С ………………………………от 0 до +50 плотность, г/см , не менее…………………………………..….0,5 вязкость - не ограничивается при отсутствии застывания измеряемой среды на элементах конструкции датчика и отсутствии отложений на поплавке, препятствующих его перемещению; содержание сероводорода, %, не более………………………….3 2. Технические характеристикиУровнемер обеспечивает: - автоматическое, дистанционное, непрерывное определение положения границы раздела двух сред (уровня) с различными плотностями и отображение результата измерения на цифровом дисплее по двум независимым каналам (датчикам) с поочередной индикацией результата измерения; - выдачу результата измерения в виде выходного токового сигнала (только по первому каналу); - выдачу результата измерения в цифровом виде по интерфейсу RS-485 (только по отдельному заказу); - ручной ввод двух значений (верхний и нижний) уровня, при достижении которых срабатывают звуковая и световая сигнализации (только по первому каналу); - формирование при достижении заданных значениях уровней выходных дискретных сигналов в виде замыкания контактов реле и включения оптрона (только для первого канала); - автоматический непрерывный контроль исправности датчиков и линий связи с индикацией результата (для обоих каналов). Основные параметры уровнемера: Параметры подсистемы измерения уровня: единица измерения..................................................................................... м число разрядов............................................................................................ 4 условная длина датчика (L), м...................................................... от 2 до 15 верхний предел измерения (в зависимости от условной длины датчика - L), м, не менее ……………………………………………L - 0.8 нижний предел измерения, м, не более.................................................... 0,2 дискретность измерения, мм, не более................................................... ...10 вариация показаний, мм, не более ........................................................... 10 основная погрешность, мм, не более........................................................ 10 дополнительная температурная погрешность на каждые 10°С измеряемой среды, мм, не более............................................................... 20 время установления показаний дисплея, с, не более ................................. 5 Параметры линии связи: длина, м, не более.................................................................................. 1000 индуктивность, мГн, не более 5 емкость, мкФ, не более............................................................................. 0,1 тип кабеля............................................................................... коаксиальный Обеспечение взрывозащищенности: вид взрывозащиты - искробезопасная электрическая, цепь уровня "ib" параметры внешних искробезопасных цепей: напряжение холостого хода, В, не более................................................. 20 ток короткого замыкания, А, не более................................................ 0,014 Представление результата измерения: • визуальная цифровая индикация: - номер канала........................................................................... 1 разряд - служебная информация.......................................................... 1 разряд - измеряемый уровень............................................................. 4 разряда • аналоговый (токовый) выход по ГОСТ 26.011-80:0 - 5, 0 - 20, или 4 - 20 мА относительная погрешность токового выхода, %,………………………...1 • передача значения измеренных уровней и состояния датчиков каждого Параметры выходных сигналов о достижении заданных уровней: • оптронный выход: напряжение постоянного тока, В, не более …………………………..30 ток, мА, не более ……………………………………………………….30 • релейный выход: напряжение постоянного (переменного) тока, В, не более..... 40(220) ток, А, не более …………………………………………………………..1 Параметры электропитания род тока..................................................................................... переменный напряжение, В .............................................................................. ..187...242 частота, Гц............................................................................................ .50 ±1 потребляемая мощность, ВА, не более.................................................... 10 Габаритные размеры, мм, не более измерителя............................................................................ 260 х 220 х 120 датчика (условная длина датчика L в зависимости от заказа)………………………………… ….125 х 125 х (175+L) Масса, кг, не более измерителя:............................................................................................... 2,1 датчика....................................................................................................... 10 Электрическое сопротивление изоляции оболочки датчика, Ом, не более…..………………………………................109
3. Общее устройство и принцип работы уровнемера
Рис.1. Структурная схема уровнемера Уровнемер У1500 состоит из одного или двух датчиков и измерителя. Датчик устанавливается на крышке люка резервуара (Приложение 1), измеритель — во взрывобезопасной зоне в помещении, в настольном варианте или в щитовой сборке управления на панели. Датчик и измеритель соединяются между собой коаксиальным кабелем типа РК-50 или РК-75. Конструктивно корпус датчика выполнен в двух исполнениях: а) гибкой конструкции, длиной L до 15м (см. рис.3а) - для рабочего избыточного давления не более 0,04 МПа; б) жесткой конструкции двух вариантов (см. рис.3б):
Длина каждого элемента может составлять 1...4м.
Датчик (рис.2) состоит из элемента измерительного 1, помещенного в корпус 2, по которому перемещается поплавок З с кольцевым магнитом внутри поплавка. Элемент измерительный представляет собой стальную проволоку, свободно размещенную в диэлектрической трубке, на которую намотана по всей длине однослойная обмотка. На верхнем конце проволоки имеется пьезоэлектрический преобразователь с двумя пьезоэлементами. Обмотка и пьезоэлементы подключены к электронной сборке, установленной в головке корпуса датчика. Для крепления датчика на крышке люка резервуара предусмотрен сальниковый узел 4. Груз 5 обеспечивает натяжение трубы корпуса датчика гибкой конструкции.
Рис.2. Датчик 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 XI, 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 пьезоэлектрического преобразователя, расположенного на уровне крышки люка резервуара, до поплавка, положение которого определяется уровнем жидкости в резервуаре, и пересчете этого интервала в уровень жидкости. Пересчет производится путем вычитания вышеуказанного расстояния из высоты резервуара. Логическая часть измерителя реализована на однокристальном PIC-микроконтроллере PIC16C65A. Микроконтроллер PIC16C65A (микросхема DD1) относится к семейству однокристальных PIC (Periferial Interface Controller) микропроцессорных устройств с встроенными ПЗУ и ОЗУ на базе КМОП фирмы Microchip Technology Inc. Микроконтроллер PIC16C65A имеет внешнюю энергонезависимую память (DD2) с электрической перезаписью с количеством циклов перезаписи до 10 млн. Связь обеспечивается по последовательному интерфейсу типа ГС. Цепь сброса микроконтроллера обеспечивается элементами R5, R6, VD1, Сб. Отраженный сигнал с выхода модуля искрозащиты (IN) через разъем XF5 после усиления на DA2 поступает на аналоговый ключ DA3, который закрывается для предотвращения перегрузки следующих каскадов усиления во время подачи стартового импульса. Далее сигнал усиливается усилителем DA4. На микросхеме DA5 реализован пиковый детектор, который запоминает амплитуду отраженного сигнала. Компаратор DA6 срабатывает при достижении уровня отраженного сигнала значения, определяемого амплитудой предыдущего отражения. При этом одновибратор DD3 формирует импульс, время прихода которого регистрируется микроконтроллером для вычисления уровня. Значение измеряемого уровня подается в виде импульсов, модулированных по ширине на RC-цепь R16, СП для выделения амплитуды сигнала. На микросхеме DA1-2 реализован высокоомный повторитель, на микросхемах DA1-3, DA1-4 осуществляется преобразование напряжения в ток. Резистор R19 обеспечивает регулировку верхней границы токового выхода, R15 - нижней границы. Микросхема DA1-1 осуществляет сдвиг токового сигнала для исполнения 4-20 мА. Реле K1 (K2) включается при достижении верхнего (нижнего) сигнализируемого заданного уровня, эти сигналы дублируются также включением оптронов DV1, DV2. Через разъем XF5 на соответствующие входы модуля искрозащиты подаются: - сигналы выбора датчиков (SEL1 и SEL2); - стартовый импульс (START); - напряжение +5В для питания конвертера DC/DC. Стабилизированные напряжения цепей питания обеспечиваются интегральными стабилизаторами DU1-DU3.
Органы управления и индикации прибора Уровнемер имеет цифровое табло и клавиатуру для управления.
Рис.3. Внешний вид цифрового табло с клавиатурой
Цифровое табло работает в режиме динамической индикации. При этом микросхема DD1 через разрядные транзисторы VT1...VT7 осуществляет выбор соответствующего индикатора, а значение, выводимое на разряд, поступает с PIC-контроллера. Управление динамической индикацией осуществляется PIC-контроллером программно. PIC-контроллер сканирует клавиатуру через цепи SK0...SK2, а опрашивает через RK0, RK1.
4. Устройство и работа составных частей уровнемера Устройство и работа модуля искрозащиты Питание внутренних цепей осуществляется конвертером DC/DC (DD1), выходные цепи которого гальванически изолированы от входных цепей. Питание конвертера осуществляется стабилизированным напряжением +5В. Входная цепь конвертера защищена токовой защитой в виде плавкого предохранителя FU1 (при возникновении перегрузок при превышении входного напряжения до аварийных значений). Напряжение с выхода конвертера после фильтрации на С1 служит для питания внутренних цепей модуля искрозащиты и одновременно поступает через ограничительный резистор R2 и транзистор одного из оптронов DV3 или DV4 на соответствующую линию связи LINE1 или LINE2, запитывая, таким образом, первый или второй датчик. Оптроны DV3 и DV4 включаются поочередно сигналами SL1 и SL2 соответственно, то есть в данный интервал времени формируется питание только одной из двух линий связи (датчика) и измерение соответственно происходит поочередно по первому или второму датчику. Для одноканального варианта уровнемера DV3, VD2, DV4 и VD3 не устанавливаются, а на место VD2 устанавливается перемычка, которая обеспечивает выбор только первого датчика. При подаче стартового импульса (вход START) на светодиод оптрона DV2, транзистор этого оптрона формирует импульс запуска, который далее через транзистор соответствующего оптрона DV3 или DV4 поступает в линию связи и далее в усилитель выбранного датчика, где служит для формирования ударного импульса для излучающих пьезоэлементов. Отраженные импульсы поступают с линии связи через транзистор соответствующего оптрона DV3 или DV4, эмиттерный повторитель VT1 на светодиод оптрона DV1, выходной сигнал (IN) которого поступает на плату измерительную для обработки. Цепи, которые подключены к линиям связи, являются искробезопасными. Понижение (ограничение) максимального значения напряжения искробезопасных цепей до искробезопасного уровня обеспечивается ограничительными диодами VS1, VS2 (при этом резистор R1 играет роль балластного резистора, ограничивающего ток для диодов VS1, VS2). Понижение максимального значения тока искробезопасных цепей до искробезопасного уровня обеспечивается резистором R2.
Устройство и работа платы усилителя датчика Импульс запуска поступает по линии связи через эмиттерный повторитель на VT1 и далее на транзисторный ключ на VT2, который коммутируя свою нагрузку - первичную обмотку трансформатора Т1, формирует выходной импульс амплитудой 60 В на вторичной обмотке Т1, поступающий на излучающие пьезоэлементы пьезоэлектрического преобразователя датчика для получения зондирующего акустического сигнала. Отраженный сигнал усиливается двумя идентичными усилительными каскадами, построенными на транзисторах VT4 и VT5 по схеме с общим эмиттером, и далее через согласующий эмиттерный повторитель на транзисторе VT3 поступает на линию связи. Ограничительный диод VS1 служит для грозозащиты усилителя.
Устройство и работа платы интерфейса RS-485 Плата интерфейса RS-485 устанавливается в разъемы ХМ1...ХМ4 платы измерительной. На микросхеме DD1 реализован интерфейс RS-485, выходные цепи которого гальванически изолированы при помощи оптронов DV1...DV3 от цепей микроконтроллера. Питание интерфейса осуществляется стабилизированным источником напряжения, выполненном на DU1.
Расчетная часть Метод Квайна – Мак-Класки Мак-Класки предложил прием, который на этапе нахождения сокращенных ДНФ и КНФ упрощает процесс минимизации и, кроме того, позволяет описать этот процесс для выполнения на ЭВМ. Прием предусматривает следующую последовательность действий для получения сокращенной ДНФ. 1. СДНФ функции представляют наборами значений аргументов, на которых функция равна лог. 1. 2. Все члены в этой форме СДНФ разбивают на группы по числу единиц, содержащихся в наборах (представленных в двоичной форме). 3. Производят склеивание наборов. Склеиваться могут только наборы соседних групп, различающиеся лишь в одном разряде. Результат склеивания пары наборов содержит на месте разряда с Похожие статьи:
|
|