Разработка автоматизированной системы управления теплицей

ВВЕДЕНИЕ

2

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 4

1.1.Характеристика технического объекта…4

1.2. Расчёт параметров настройки регулятора…5

2. ВЫБОР ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 7

2.1. Датчик влажности воздуха…7

2.2. Датчик расхода воды на распыление…11

2.3. Исполнительный механизм…13

3. РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ 15

3.1. Разрядности АЦП и ЦАП… 15

3.2. Трансформированная погрешность…16

3.3. Инструментальная погрешность… 16

4. ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА 18

5. ВЫБОР БАЗОВОГО КОМПЛЕКСА 22

5.1. Микроконтроллер… 22

5.2. Аналого-цифровой преобразователь… 24

5.3. Цифро-аналоговый преобразователь… 26

6. СТРУКТУРА АСУТП 28

6.1. Назначение системы… 28

6.2. Архитектура системы…28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

30

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

31

С каждым годом в тепличных предприятиях все большее внимание уделяется качественному поддержанию микроклимата. Правильно выбранная технология поддержания микроклимата — одна из важнейших составляющих, позволяющих повысить урожайность. А эффективное использование энергоресурсов — дополнительная возможность существенно уменьшить себестоимость производимой продукции. Современная автоматизированная система управления микроклиматом должна поддерживать не только заданный режим, но и максимально эффективно использовать возможности исполнительных систем.

В настоящее время ведется активная модернизация теплиц, связанная с повышением количества исполнительных систем: разделение контуров, модернизация форточной вентиляции, установка систем зашторивания, установка вентиляторов. И чем больше исполнительных систем имеет теплица, тем важнее для нее выбор критерия, определяющего стратегию поддержания микроклимата. Например, одним из наиболее популярных критериев управления является экономия теплоресурсов. В данном случае целесообразнее активно использовать нижние контура обогрева, т.к. они меньше всего отдают тепла внешней среде. Другой подход к выбору критерия предполагает поддержание температуры у точки роста выше, чем у корней растения и тем самым подразумевает активное использование верхних контуров обогрева. Еще один критерий управления основывается на том, что нижний контур должен поддерживать в корневой зоне постоянную температуру, так называемый оптимум, и лишь при исчерпанных ресурсах других исполнительных систем отклоняться от него.

Опыт внедрения автоматизированных систем управления показывает, что на этапе проектирования системы достаточно сложно выбрать единый критерий управления. Поэтому в системе управления должна существовать возможность оперативно задать критерий во время эксплуатации, причем методы его задания должны в наглядной форме отражать агрономические, экономические и технические требования, предъявляемые к системе. Таким образом, современная система управления должна позволять задать не только один из вышеперечисленных критериев управления или их комбинацию, но и любой другой возникающий в процессе производства, предоставляя агроному-технологу широкие возможности в выборе метода поддержания температурно-влажностного режима в теплице.

Одной из основных характеристик системы управления является ее надежность. Поэтому в качестве аппаратно-технической базы системы был выбран контроллер, который содержит современные средства защиты от сбоев: копию основных параметров работы системы в энергонезависимой памяти, средство защиты от зависаний и т. д. Помимо контроллера автоматизированная система управления микроклиматом включает в себя набор датчиков для измерения параметров внутри теплицы. Для передачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы система включает в себя блок релейной коммутации с возможностью ручного управления.

Важным элементом системы управления является диагностика неисправностей и возможностей системы управления. Иногда в процессе эксплуатации случаются непредвиденные ситуации, связанные с нестабильностью температуры подаваемой воды, повышенным износом и люфтом исполнительного механизма или связанные с другого рода ограничениями, накладываемыми на исполнительные системы. Заложенные в систему методы диагностики должны выявлять нестандартные ситуации и своевременно перестраивать алгоритмы управления, поддерживая при этом параметры микроклимата с минимально возможным отклонением. При невозможности разрешения ситуации без участия человека, система выдает соответствующее аварийное сообщение.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.1.Характеристика технического объекта

Выращивание сельхозпродукции в тепличных условиях требует поддержания микроклимата в теплице, к основным параметрам которого относятся:

· Температура и влажность воздуха в теплице;

· Температура и влажность почвы.

Числовые значения всех перечисленных выше параметров определяются типом выращиваемой культуры. В частности, для земляники, в зависимости от фазы диапазон изменения влажности воздуха составляет 65 — 80%. При этом точность поддержания заданной влажности должна составлять ±3%. Кроме регулирования система должна предусматривать контроль расхода воды на распыление.

Рис. 1. Структурная схема ОУ.

Передаточная функция ОУ определяется следующим выражением:

где .

Y₁(t) — сигнал с датчика для регулируемой переменной ОУ;

Y₂(t) — сигнал с датчика по каналу контроля.

1.2. Расчёт параметров настройки регулятора

Исходя из особенностей разрабатываемой системы, к которой предъявляется требование повышенной точности отработки заданных воздействий, регулятор должен реализовать пропорционально-интегральный закон управления. Параметры ПИ-регулятора определяются требованиями к качеству переходного процесса:

· нулевая статическая ошибка;

· величина перерегулирования не более 5%;

· длительность переходного процесса не более постоянной времени ОУ.

С помощью моделирования системы в пакете Simulink определяем параметры настройки регулятора.

Рис. 2. Схема модели цифровой системы.

Рис. 3. Графики сигнала рассогласования управляющего воздействия и регулируемой переменной для случая входного воздействия в виде скачка .

Таблица параметров дискретного ПИД регулятора.

2. ВЫБОР ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

2.1. Датчик влажности воздуха

По требуемой точности измерения, которая определяется точностью поддержания влажности и коэффициентом :

и заданному диапазону изменения регулируемой переменной выбираем датчик HIH-3602-L фирмы Honeywell.

Рис.4. Внешний вид датчика влажности.

Датчики этой серии предназначены для использования в многоканальных автоматизированных системах контроля параметров микроклимата на базе ПЭВМ, которые осуществляют непрерывные круглосуточные измерения относительной влажности воздуха и поддержание заданных режимов.

В настоящее время на практике для измерения относительной влажности применяется несколько технологий, использующих свойство различных структур изменять свои физические параметры (емкость, сопротивление, проводимость и температуру) в зависимости от степени насыщения водяным паром. Каждой из этих технологий свойственны определенные достоинства и недостатки (точность, долговременная стабильность, время преобразования и т. д.).

Среди всех типов емкостные датчики, благодаря полному диапазону измерения, высокой точности и температурной стабильности, получили наибольшее распространение, как для измерения влажности окружающего воздуха, так и применения в производственных процессах.

Компания Honeywell производит семейство емкостных датчиков влажности, применяя метод многослойной структуры (рис.5), образуемой двумя плоскими платиновыми обкладками и диэлектрическим термореактивным полимером, заполняющим пространство между ними. Термореактивный полимер, по сравнению с термореактивной пластмассой, обеспечивает датчику более широкий диапазон рабочих температур и высокую химическую стойкость к таким агрессивным жидкостям и их парам, как изопропил, бензин, толуол и аммиак. В дополнение к этому датчики на основе термореактивного полимера имеют самый большой срок службы в этиленоксидных стерилизационных процессах.

В процессе работы водяной пар проникает через верхнюю пористую обкладку конденсатора (рис.5) и уравновешивается с окружающим газом. Одновременно эта обкладка защищает электрические процессы, протекающие в полимерном слое, от внешних физических воздействий (света и электромагнитного излучения). Слой полимера, покрывающий пористый платиновый электрод сверху, служит защитой конденсатора от пыли, грязи и масел. Такая мощная фильтрационная система, с одной стороны, обеспечивает датчику длительную бесперебойную работу в условиях сильной загрязненности окружающей среды, с другой — снижает время отклика.

Выходной сигнал абсорбционного датчика влажности представляет собой функцию от температуры и влажности, поэтому для получения высокой точности измерения в широком диапазоне рабочих температур требуется температурная компенсация характеристики преобразования. Компенсация особенно необходима, когда датчик используется в индустриальном оборудовании для измерения влажности и точки росы.

Рис.5. Метод многослойной структуры, применяемый при изготовлении датчиков влажности

Датчики влажности Honeywell — это интегрированные приборы. Помимо чувствительного элемента, на той же подложке расположена схема обработки сигнала, которая обеспечивает преобразование сигнала, его усиление и линеаризацию. Выходной сигнал датчика Honeywell является функцией от напряжения питания, окружающей температуры и влажности. Чем выше напряжение питание, тем больше размах выходного сигнала и, соответственно, чувствительность. Связь же между измеренной датчиком влажностью, истинной влажностью и температурой показана на объемной диаграмме (рис.6).

Рис.6. Связь между измеренной датчиком влажностью, истинной

влажностью и температурой

Она легко аппроксимируется с помощью комбинации двух выражений:

1. Прямая наилучшего соответствия при 25 °C (жирная линия на диаграмме), описывается выражением U_вых = U_пит(0,0062 · (%RH₂₅) + 0,16). Из этого уравнения определяется процент RH₂₅ при температуре 25 °C.

2. Далее производится температурная коррекция и вычисляется истинное значение RH: RH_{истинная} = (%RH₂₅) · (1,0546 — 0,00216T), где T измеряется в °C.

Выражения выше соответствуют характеристикам реальных датчиков со следующими отклонениями:

— для

— для

— для

Рис.7. Характеристики преобразования датчика влажности Honeywell

при различных температурах

Модели HIH-3602-L и HIH-3602-L-CP выполнены в корпусе TO-39 со щелевым отверстием. Они предлагают оптимальное соотношение цена/надежность. Эти датчики нашли широкое применение в метеорологическом оборудовании и системах климат-контроля.

2.2. Датчик расхода воды на распыление

Рис. 8. Внешний вид датчика.

Датчик ДРК-4 предназначен для измерения расхода и объема воды в трубопроводах и имеет следующие технические характеристики:

1) Измеряемая среда — вода с параметрами:

— температура от 1 до 150 °C;

— давление до 2,5 МПа;

— вязкость до 2· 10⁶ м²/с

2) Диаметр трубопровода D_у 80…4000 мм

3) Динамический диапазон 1:100

4) Пределы измерений 2,7…452 400 м³/ч

5) Выходные сигналы: токоимпульсный (ТИ); унифицированный токовый 0…5, 4…20 мА ;

6) Предел допускаемой относительной погрешности измерений объема и расхода по импульсному сигналу и индикатору:

±1,5% при скоростях потока 0,5…5 м/с;

±2,0% при скоростях 0,1?V<0,5; 5

7) Предел допускаемой относительной погрешности измерения времени наработки ±0,1%;

8) 1 или 2 канала измерения расхода;

9) Формирование почасового архива значений объема и расхода;

10) Самодиагностика.

Рис. 9. Блок-схема датчика.

Принцип действия датчиков ДРК-4 основан на корреляционной дискриминации времени прохождения случайными, например, турбулентными флуктуациями расстояния между двумя парами ультразвуковых акустических преобразователей АП1-АП4, АП2-АП3. Это время транспортного запаздывания и является мерой расхода контролируемой среды, движущейся по трубопроводу. Во время работы акустические преобразователи (АП1-АП4), возбуждаемые генераторами ультразвуковой частоты (ГУЧ1 и ГУЧ2), излучают ультразвуковые колебания. Эти колебания, пройдя через поток жидкости, порождают вторичные электрические колебания на АП. Из-за взаимодействия встречных ультразвуковых лучей с неоднородностями потока, обусловленными, например, турбулентностью этого потока, электрические колебания на АП оказываются модулированными. Эти колебания поступают на фазовые детекторы (ФД1 и ФД2) и далее на корреляционный дискриминатор (КД), управляемый микропроцессором.

В результате корреляционной обработки определяется время транспортного запаздывания, по которому микропроцессор производит вычисление периода выходных импульсов и их формирование. Далее КД определяет объем нарастающим итогом, мгновенный расход, время наработки и выводит информацию на индикатор. Выходные импульсы преобразователя ДРК-4ЭП могут передаваться для дополнительной обработки на тепловычислитель, счетчик-интегратор либо оконечный преобразователь ДРК-4ОП, который формирует унифицированный токовый выходной сигнал 0…5, 4…20 мА, пропорциональный мгновенному расходу.

Конструктивно датчик ДРК-4 состоит из комплекта первичных преобразователей ДРК$ 4ПП, электронного преобразователя ДРК-4ЭПХХ и оконечного преобразователя ДРК-4ОП. Комплект первичных преобразователей состоит из 4-х акустических преобразователей ДРК-4АП с соединительными кабелями длиной 3 м и 4-х штуцеров для монтажа их на трубопроводе.

Контроллер блока индикации суммирует входные импульсы, вычисляет накопленный объем нарастающим итогом и мгновенный расход, выводит эту информацию на индикатор, формирует двоичный код, характеризующий мгновенный расход, который вводится в ЦАП, формирует архив.

Основные преимущества:

· отсутствие сопротивления потоку и потерь давления;

· возможность монтажа первичных преобразователей на трубопроводе при любой ориентации относительно его оси;

· коррекция показаний с учетом неточности монтажа первичных преобразователей;

· сохранение информации при отключении питания в течение 10 лет;

· беспроливной, имитационный метод поверки;

· межповерочный интервал — 4 года.

2.3. Исполнительный механизм

В качестве исполнительного механизма синтезируемой системы используется миниспринклер 4191 компании JHi I.S., который специально разработан для поддержания постоянной влажности, уменьшения высоких температур в жарком климате за счет испарения и для орошения растений в специальных условиях. Миниспринклер обеспечивает туманообразование с очень мелким размером капелек — приблизительно от 50 до 250 микрон при давлении 3.0 Атм. Уникальная конструкция исключает образование крупных капель и капание на растения при размещении спринклеров сверху. Миниспринклер работает в широком диапазоне давления воды. Поднимая давление и используя спринклеры с меньшим расходом воды, можно получить минимальный размер капель. Минимальное давление, при котором закрывается предохранительный клапан, равно приблизительно 2.5 Атм. Миниспринклеры могут устанавливаться как на стойках, так и подвешиваться в случае верхней разводки воды.

Рис. 10. Внешний вид и работа миниспринклера в режиме туманообразования.

3. РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ

3.1. Разрядности АЦП и ЦАП

Рассчитываем допустимое значение погрешности вычисления управляющего воздействия при значении коэффициента точности управляющего кода :

В

Рассчитываем разрядность АЦП:

Таким образом, АЦП должен иметь не менее 8-ми разрядов.

Находим коэффициент пересчета АЦП:

(1/% RH)

Определяем величину младшего разряда АЦП:

(% RH)

Вычисляем разрядность ЦАП:

Получили, что ЦАП должен иметь не менее 8-ми разрядов.

Находим коэффициент пересчета ЦАП:

(В) Таким образом, коэффициент пересчета от входа АЦП до выхода ЦАП:

(В/% RH)

3.2. Трансформированная погрешность

Рассчитываем трансформированную погрешность, которая обусловлена трансформацией погрешностей входных переменных, по которым определяется управление для ПИ закона. Для этого используем ряд конечных разностей и расчётную формулу трансформированной погрешности Если вычисление интеграла было выполнено по формуле трапеций, то погрешность определяется как:

Получили величину трансформированной погрешности, которая в два раза превосходит допустимую. Для её уменьшения введём экспоненциальное сглаживание с коэффициентом ослабления, тогда:

В

3.3. Инструментальная погрешность

Для оценки инструментальной погрешности выбираем разрядность АЛУ микроконтроллера на 4 разряда больше, чем в АЦП, и рассчитываем величину младшего разряда.

(В) Теперь для оценки инструментальной погрешности, которая обусловлена ограниченной длиной разрядной сетки вычислителя, необходимо подсчитать количество округлений в алгоритмах проверки на достоверность, сглаживание и ПИ-закона управления:

Полная инструментальная погрешность определяется как

где дисперсия единичного округления в АЛУ с учётом равномерного закона распределения определяется в виде:

Итак, имеем:

(В) Находим методические погрешности интегрирования и дифференцирования на интервале с помощью моделирования в пакете Simulink замкнутой системы:

В

Среднеквадратическое значение ошибки управляющего воздействия составляет:

(В²)

Из выполненных расчётов видно, что обеспечить заданную допустимую погрешность вычислений В можно, выбрав коэффициент ослабления помех равный, АЦП и ЦАП 8-ми разрядными, а количество разрядов АЛУ не менее 12-ти.

4. ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА

При измерении технологических параметров информация от датчиков поступает в аппаратуру ввода/вывода в виде унифицированных сигналов (0−10 В или 4−20 мА), т. е. реальной физической величине соответствует напряжение или сила тока. В устройствах связи с объектом эти сигналы преобразуются в двоичные коды длиной от 8 до 16 разрядов. Чтобы провести анализ получаемой информации, необходимо преобразовать коды АЦП в масштаб реальных физических величин: % RH, м³/час. К тому же датчики могут иметь статические ошибки, нелинейные характеристики или зашумленный выходной сигнал.

Для получения корректных значений результатов мониторинга из двоичных кодов применяют алгоритмы первичной обработки такие, как нормализация, пересчет в технические единицы, проверка на достоверность, сглаживание, проверка на технологические границы.

В данной работе исследуются такие алгоритмы первичной обработки, как

— проверка на достоверность,

— сглаживание.

Проверка на достоверность. Благодаря её выполнению, обнаруживаются и устраняются импульсные помехи, выявляется обрыв или короткое замыкание в канале связи и формируется сообщение о нарушениях оператору-технологу.

В данной работе в качестве измерительной погрешности учитывается только погрешность датчика. Если выбран датчик с погрешностью, то максимально допустимое значение погрешности измерения определяется как:

Это выражение следует из нормального закона распределения погрешностей измерения, в соответствии с которым максимальное значение случайного сигнала y_max = 3у_y (у_y — среднеквадратическое значение). При этом условие проверки на достоверность имеет вид:

.

Проверка сигналов на достоверность заключается в следующем: если условие не выполняется, то содержимое счетчика нарушений увеличивается на 1, неверное значение показаний датчика заменяется последним достоверным, и проверяется следующее показание датчика. При этом осуществляется переход к меньшему шагу опроса датчика: (- новое значение шага опроса датчика после обнаружения первого неправильного отсчета). Процедура проверки повторяется. Если трижды подряд с шагом не выполняется условие проверки на достоверность, то по знаку разности () принимается решение об обрыве или неисправности датчика i-го канала. Фиксируется время нарушения, его причина и включается резервный канал или резервный датчик.

Сглаживание. Обычно по ходу технологических процессов возникают помехи с частотами, близкими или равными частотам полезного сигнала. Примером такой помехи могут быть погрешности измерения. Устранить их аппаратными фильтрами не удается, но можно ослабить, и весьма существенно, программным путем, реализуя алгоритм скользящего или экспоненциального сглаживания.

Алгоритм скользящего среднего или скользящего окна имеет вид:

M_i — параметр сглаживания, величина которого определяет количество отсчетов, взятых для вычисления одного сглаженного значения .

Принцип скользящего: для вычисления очередного сглаженного значения записанная в М_i ячейках памяти информация сдвигается влево, и в освободившуюся ячейку заносится новый отсчет датчика. После чего выполняются процедуры суммирования М_i отсчетов и умножения на коэффициент. Из анализа алгоритма ясно, что для его реализации потребуется M_i+2 ячейки памяти, а время готовности алгоритма выдать с заданной точностью 1-е сглаженное значение составит

.

Величина параметра сглаживания вычисляется по заданному значению коэффициента ослабления помех, который, в свою очередь, представляет собой отношение

где — среднеквадратическое значение помех в отсчетах датчиков x_ik; - среднеквадратическое значение помех в сглаженных, вычисленных в соответствии по алгоритму значений xc_ik.

Значение параметра сглаживания для i-го датчика:

.

Экспоненциальное сглаживание. Его алгоритм имеет вид:

при начальном значении и диапазоне изменения параметра сглаживания: 0<_i<1.

Величина параметра определяет длительность переходных процессов и качество сглаживания. Чем меньше, тем лучше сглаживание, но тем большее время потребуется для получения сглаженного значения с заданным ослаблением помехи .

Выражение расчёта параметра для алгоритма экспоненциального сглаживания, если задан коэффициент ослабления помех :

Первое сглаженное значение будет получено с заданной точностью в соответствии с алгоритмом спустя время:

.

Это время будет возрастать с увеличением точности вычислений д. Достоинством алгоритма экспоненциального сглаживания, по сравнению со скользящим окном, является малый объем памяти, хотя он значительно дольше входит в установившийся режим.

Рис.14 .Результаты работы алгоритмов проверки на достоверность,

сглаживания скользящим средним с коэффициентом ослабления помех ,

экспоненциального сглаживания со степенью приближения д = 10^-5

для сигнала с датчика влажности.

5. ВЫБОР БАЗОВОГО КОМПЛЕКСА

5.1. Микроконтроллер

ADuC7020 — микроконтроллер фирмы Analog Devices для прецизионной обработки аналоговых сигналов, содержащий в своем кристалле полнофункциональную 12-разрядную систему сбора и обработки данных на основе ядра микроконтроллера ARM7TDMI и 12-разрядного АЦП с частотой преобразования 1 МГц. По аналогии с другими интегральными преобразователями данных микроконтроллер характеризуется сочетанием на одном кристалле прецизионного аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразования и флэш-микроконтроллера.

Рис. 11. Функциональная схема микроконтроллера

(ИОН — источник опорного напряжения, ПЛМ — программируемая логическая матрица, УАПП — устройство асинхронной приемо-передачи, ОЗУ — оперативное запоминающее устройство, MIPS — млн. операций в сек.)

Отличительные особенности:

· 12-разр. АЦП с 5 мультиплексированными входами, частота преобразований АЦП 1 МГц

· Четыре 12-разр. ЦАП с выходами по напряжению с полным размахом (Rail-to-Rail)

· Прецизионный источник опорного напряжения (2,5В±10 мВ)

· Ядро микроконтроллера ARM7TDMI с производительностью 45 млн. операций в сек.

· 62 кбайт внутрисхемно перепрограммируемой флэш-памяти программ/данных

· 8 кбайт статического ОЗУ

· Последовательные порты: УАПП, SPI и два I²C

· Компаратор, матрица программируемой логики (PLA), супервизор питания (PSM), сброс при подаче питания (POR), гибкое конфигурирование блока синхронизации, гибкие режимы уменьшения энергопотребления

· Внутрисистемное последовательное программирование

· Внутрисистемная JTAG-эмуляция

· 14 линий универсального ввода-вывода Устройство тактируется от встроенного генератора с синтезатором частоты с ФАПЧ (PLL), который генерирует тактовые импульсы с частотой до 45 МГц. Этот тактовый сигнал проходит через программируемый делитель частоты, с выхода которого тактовая частота поступает на ядро процессора. В микросхеме применено микропроцессорное ядро ARM7TDMI, 16/32-разрядный RISC процессор, обеспечивающий пиковую производительность до 45 миллионов операций в секунду (MIPS). На кристалле имеется 62 kB энергонезависимой флэш/ЕЕ памяти, а также 8 kB статического ОЗУ (SRAM). Для ядра ARM7TDMI вся память и регистры доступны в одном линейном пространстве памяти.

Встроенное программное обеспечение поддерживает внутрисхемную последовательную загрузку через порты последовательных интерфейсов UART и JTAG, при этом через интерфейс JTAG можно осуществлять эмуляцию.

Данные микроконтроллеры работают при напряжении питания 2,7 … 3,6 В и их параметры нормированы для индустриального температурного диапазона

— 40°C… 125 °C. При работе на частоте 45 МГц рассеиваемая мощность составляет 150 мВт.

4.2. Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь, входящий в состав ADuC7020 — это быстродействующий, многоканальный 12-разрядный АЦП. Он работает при напряжении питания 2.7…3.6 В и обеспечивает производительность до 1 миллиона отсчетов в секунду (1 MSPS) при тактовой частоте 45 МГц. В блок АЦП входят многоканальный мультиплексор, дифференциальное устройство выборки-хранения, встроенный источник опорного напряжения (ИОН) и собственно АЦП.

Преобразователь представляет собой 12-разрядный АЦП последовательного приближения на основе двух ЦАП на переключаемых конденсаторах. АЦП может работать в одном из трех различных режимов, в зависимости от заданной конфигурации:

* полностью дифференциальный режим — для слабых дифференциальных сигналов;

* однополярный режим — для любых однополярных сигналов

* псевдодифференциальный режим — для любых однополярных сигналов, но при этом обеспечивается преимущество — подавление синфазного сигнала псевдодифференциальным входом.

Данный преобразователь работает с аналоговым сигналом в диапазоне от 0 до VREF при работе в однополярном или псевдодифференциальном режиме. В полностью дифференциальном режиме синфазное напряжение VCM входного сигнала должно находиться в диапазоне 0… AVDD и амплитуда входного сигнала не должна превышать 2· VREF.

На кристалле имеется прецизионный, высокостабильный источник опорного напряжения (ИОН) напряжением 2.5 В. Также можно использовать внешний ИОН, как описано ниже. С помощью программы запускается режим одиночного или непрерывного преобразования. Кроме того, для запуска аналого-цифрового преобразования может быть использован сигнал на входе CONVSTART, выходной сигнал встроенной в кристалл программируемой логической матрицы (PLA), а также сигнал переполнения таймера Timer1 или Timer2.

В псевдодифференциальном или однополярном режиме входной сигнал находится в диапазоне 0… VREF. Выходной код в псевдодифференциальном или однополярном режиме — прямой двоичный код, единица младшего разряда (LSB) соответствует 1 LSB = FS/4096 или 2.5 В/4096 = 0.61 мВ = 610 мкВ при опорном напряжении VREF = 2.5 В. В идеале характеристика преобразования проходит через точки ½ LSB, 3/2 LSBs, 5/2 LSBs,.. ., FS-3/2 LSB. Идеальная характеристика преобразования показана на рисунке 12.

Рис. 12. Характеристика преобразования АЦП в

псевдодифференциальном или однополярном режиме

В полностью дифференциальном режиме амплитуда дифференциального сигнала представляет собой разность между величинами сигналов на входах VIN+ и VIN- (то есть VIN+ - VIN-). Максимальный размах дифференциального сигнала таким образом составляет величину отVREF до + VREF (то есть 2· VREF). Это без учета синфазного сигнала (common mode, CM). Синфазный сигнал является средним двух сигналов, т. е. (VIN+ + VIN-)/2 и таким образом синфазный сигнал — это уровень, относительно которого изменяются два входных сигнала. Поэтому пределы изменения сигнала на каждом входе определяются величиной CM ± VREF/2. Синфазное напряжение устанавливается с помощью внешних цепей и его диапазон зависит от величины VREF. В полностью дифференциальном режиме аналоговый сигнал преобразуется в дополнительный цифровой код с величиной 1 LSB = 2· VREF/4096 или 2· 2,5 V/4096 =1,22 мВ при VREF = 2,5 В. В идеале характеристика преобразования проходит через точки ½ LSB, 3/2LSBs, 5/2LSBs, …, FS-3/2 LSB. Идеальная характеристика преобразования показана на рисунке 13.

Рис.13. Характеристика преобразования АЦП в

полностью дифференциальном режиме.

4.3. Цифро-аналоговый преобразователь

В микросхеме ADuC7020 имеется четыре 12-разрядных ЦАП с выходом напряжения. Каждый ЦАП обладает выходным буфером с полным диапазоном напряжения (rail-to-rail) и способным работать на нагрузку 5 кОм/100 пФ. Буферы можно отключить.

ЦАП может работать в трех диапазонах выходного сигнала: 0… VREF (при работе с внутренним ИОН 2.5 В), 0… DACREF (вывод 56) и 0… AVDD. К выводу DACREF подключается внешний опорный источник. Диапазон сигнала на этом входе может составлять от 0 до AVDD.

Каждый ЦАП управляется независимо при помощи регистра управления и регистра данных. Эти регистры одинаковы у всех четырех.

Структура ЦАП представляет собой цепочку резисторов (string DAC) с буферным усилителем на выходе. ИОН для каждого ЦАП может выбираться пользователем программно. Это может быть AVDD, VREF или DACREF. В режиме 0-AVDD сигнал на выходе ЦАП изменяется в диапазоне от 0 до напряжения питания на выводе AVDD. В режиме 0-DACREF сигнал на выходе ЦАП изменяется в диапазоне от 0 до напряжения на выводе DACREF. В режиме 0-VREF сигнал на выходе ЦАП изменяется в диапазоне от 0 до напряжения внутреннего ИОН VREF = 2.5 В. Буфер на выходе ЦАП обладает rail-to-rail выходом. Это означает что при отсутствии нагрузки сигнал на выходе может приближаться ближе чем на 5 мВ к напряжениям питания (AGND и AVDD). Более того, параметры, характеризующие линейность ЦАП (при нагрузке 5 кОм) гарантированы для всего диапазона кода, за исключением диапазонов кода 0…100 и (если только АЦП работает в диапазоне 0-AVDD) для кодов 3995…4095. Линейность ухудшается вблизи «земли» и вблизи AVDD из-за насыщения выхода усилителя.

Чтобы уменьшить эффект насыщения выходного усилителя на конечных участках характеристики и уменьшить погрешности смещения и усиления можно отключить внутренний буфер с помощью управляющего регистра ЦАП. Это позволит получить полный диапазон сигнала на выходе ЦАП (rail-to-rail),

и этот сигнал затем должен быть буферирован с помощью внешней схемы на усилителе с биполярным питанием с целью получить rail-to-rail сигнал на выходе. Этот внешний буфер должен располагаться как можно ближе к

СТРУКТУРА АСУТП

6.1. Назначение системы

Разрабатываемая АСУТП представляет собой комплекс автоматизированного контроля и управления влажностным режимом теплицы и является программно-технической системой для достоверного измерения состояния климата в теплице и расчет на этой основе управляющих воздействий на исполнительные механизмы инженерного оборудования теплицы.

Система должна выполнять следующие функции:

· задание суточного цикла влажности и поддержание необходимого климатического режима (при изменении задания система обеспечивает плавный переход из одного состояния в другое);

· контроль расхода воды в канале распыления;

· сбор, обработку и хранение архивных данных;

· представление технологической информации в удобном для оперативного персонала виде;

· регистрация событий и ведение журнала тревог (например, при выходе значения влажности за пределы установленного диапазона);

· обеспечение возможности калибровки измерительных датчиков;

· повышение производительности теплицы за счёт жесткого автоматического поддержания требуемых параметров;

· обеспечение возможности постепенной модернизации и усложнения системы за счёт введения новых аппаратных и программных модулей.

6.2. Архитектура системы

Архитектура разрабатываемой системы имеет два уровня: нижний — подсистема управления (датчики, микроконтроллер, исполнительные механизмы и оборудование) и верхний — пост оператора (персональный компьютер). Связь между уровнями осуществляется по интерфейсу RS-485. Реализация алгоритмов управления осуществляется с помощью автоматизированного модуля верхнего уровня (например, SCADA-система TRACE MODE), который также отвечает за интерфейс на посту оператора.

Рис.15. Мнемосхема АСУТП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте была синтезирована двухуровневая АСУТП, которая осуществляет дискретное регулирование влажности воздуха и контроль расхода воды на распыление в теплице. По заданным параметрам ОУ путём моделирования были определены параметры настройки ПИ-регулятора, который обеспечивает необходимую точность регулирования и качество отработки входных воздействий (здесь — задание величины влажности). Используя алгоритмы первичной обработки, исследовалось влияние их параметров на характеристики сигнала с датчика влажности. Исходя из условия величины погрешности вычисления кода управления, были рассчитаны разрядности элементов ЦУУ (АЦП, ЦАП и АЛУ микроконтроллера) и произведен выбор комплекса технических средств.

1) Пьявченко Т. А. Автоматизированное управление в технических системах. Учебное методическое пособие, 1999 г.

2) Автоматизированная система контроля технологических параметров тепличного комбината. Журнал «Современные технологии автоматизации»

3) http://www.gaw.ru/

4) http://www.optimalsystems.ru/

5) http://www.fito-agro.ru/