Распределенная автоматизированная система управления

Содержание Введение

1. Общая и иерархическая структуры тепличного комбинатов.

2. Смесительное устройство

2.1. Математическая модель смесительного устройства

2.2. Синтез замкнутой системы управления смесительным устройством

2.2.1. Настройка и моделирование отдельных контуров системы

2.2.1 Исследование взаимного влияния контуров

2.3. Учет влияния возмущений

2.4. Разработка функциональной схемы

2.5. Выбор исполнительных устройств

2.6. Выбор датчиков

2.7. Выбор микроконтроллера

2.8. Разработка принципиальной схемы.

3. Сопряжение верхнего и нижнего уровней АСУ тепличного комбината

3.1. Выбор сети

3.2. Выбор типа линии связи

3.3. Идентификация устройств в сети MicroLAN

3.4. Выбор топологии сети

3.5. Принципы работы однопроводной сети MicroLAN

3.6. Программное обеспечение сети MicroLAN

3.7. Выбор ведущего адаптера 1-Wire линии

3.8. Выбор ведомых устройств

3.9. Выбор приборов для ветвления сети

4. Визуализация и архивирование технологического процесса

4.1. Выбор SCADA системы

4.2. SCADA система TRACE MODE

4.2.1 Общая структура и возможности TRACE MODE

4.2.2. Исполнительные модули TRACE MODE

4.2.3. TRACE MODE 6: синтез новых технологий

4.3. Графическое отображение состояния производственных процессов.

4.3.1. Назначение программы

4.3.2. Требования к аппаратным и программным ресурсам

4.3.3. Схема работы и возможности программы графического отображения состояния производственных процессов.

4.3.4. Запуск и работа программы графического отображения

4.3.5. Графический интерфейс оператора

4.3.6. Система архивов TRACE MODE

5. Сервер производственного контроля

5.1. Назначение сервера

5.2. Анализ информационных потребностей фирмы

5.3. Выбор сетевой ОС

5.4. Выбор сетевых протоколов

5.4.1. Протокол 1-Wire

5.4.2. Стек протоколов TCP/IP

5.4.3. Протокол РРР

5.5. Web-сервер

5.6. Информационная безопасность К сожалению, описание всех применяемых методик и средств защиты информации выходит далеко за рамки дипломной работы.

5.7. Резервное копирование

6. Безопасность и экологичность проекта

6.1. Анализ основных потенциально опасных факторов

6.2. Оценка факторов, влияющих на окружающую среду и оператора при работе с компьютером

6.3. Оценка интерфейса разрабатываемой программы и среды разработки

6.4. Пожарная безопасность

6.5. Экологичность работы

7. Технико-экономическое обоснование проекта

7.1. Выбор и обоснование аналога

7.2. Расчет интегрального показателя качества

7.3. Функционально-стоимостной анализ

7.4. Расчет затрат на конструкторскую и технологическую подготовку производства

7.5 Определение показателей экономической эффективности для потребителя

7.6. Расчет себестоимости и определение показателей экономической эффективности для производителя.

Заключение

• Список используемой литературы
• Введение
• Выращивание сельскохозяйственной продукции в тепличных условиях представляет собой достаточно сложную технологическую проблему. На величину будущего урожая влияет много факторов, и не последнюю роль при этом играет точность поддержания температурного режима в зависимости от внешних погодных условий, вида выращиваемой культуры и степени её зрелости. Температурный режим, в свою очередь, зависит от температуры и давления теплоносителей, исправности исполнительных механизмов и трубопроводов, ценности материала теплиц, квалификации и дисциплины обслуживающего персонала.
• Внедрение автоматизированной системы управления тепличным хозяйством имеет следующие основные преимущества:
• 1. Точность поддержания климата увеличивает объем и повышает качество продукции, сокращает непроизводительные расходы ресурсов (газ, электроэнергия, вода и т. п.).
• 2. Возможна круглосуточная работа системы в автоматическом режиме, что значительно уменьшает затраты на обслуживающий персонал.
• 3. Звуковое и визуальное (графическое) оповещение о нештатных ситуациях (выход значений контролируемых параметров за технологические границы, выход из строя оборудования и т. п.) сводит к минимуму потери от аварий и нарушений технологического режима.
• Целью дипломного проекта является создание верхнего уровня АСУ тепличного комбината, рассмотреть проблемы визуализации и архивирования технологического процесса, сопряжения нижнего и верхнего уровней АСУ тепличного комбината. Также необходимо алгоритмическую и техническую структуры САУ смесительного устройства.

1. Общая и иерархическая структуры тепличного комбината.

В состав тепличного комбината входят две теплицы и два подсобных помещения. В одном из этих помещений размещается смесительное устройство, а в другом — автоматизированное рабочее место оператора.

В теплицах могут выращиваться такие культуры, как клубника, огурцы (короткоплодный и длинноплодный), томаты, баклажаны. В зависимости от вида выращиваемой культуры система поддержания (контроля) микроклимата считывает задания из базы данных vegetables, расположенной на сервере производственного контроля. По желанию заказчика в базу данных могут быть добавлены и другие культуры.

Система контроля и стабилизации микроклимата представляет собой нижний уровень автоматизированной системы управления тепличным комбинатом. Данная система обеспечивает поддержание требуемых значений контролируемых параметров микроклимата, таких как температура и влажность воздуха, влажность почвы.

Для поддержания требуемой влажность воздуха и почвы в теплицах комбината, необходимо периодически распылять воду. Чтобы уменьшить влияние распыляемой воды на температуру воздуха и почвы в теплице, необходимо, чтобы её температура была равна температуре воздуха в теплице. Для получения воды необходимой температуры используется смесительное устройство, представляющее собой емкость объемом .

Все необходимые технологические режимы работы теплицы задаются оператором непосредственно с автоматизированного рабочего места (АРМ) и оперативно контролируются в зависимости от протекающих производственных процессов.

В качестве верхнего уровня автоматизированной системы будет использоваться, информационный комплекс, который реализует следующие основные функции:

1. Регистрация и отображение значений контролируемых параметров (температура и влажность воздуха и почвы, положения регулирующих клапанов, форточек, освещенность и т. д.) в виде мнемосхем, на которых размещены: планы объектов, изображения приборов и установок, шкалы, положения регулирующих клапанов, движущиеся агрегаты и т. п.

2. При возникновении нештатных ситуаций может производиться фокусировка на любом объекте, звуковое оповещение, всевозможные графические эффекты (например, появление предупреждающих объектов).

3. Запись всех параметров в базу данных реального времени. По запросу оператора из базы может быть считана информация за произвольный период с необходимой детализацией и обработкой (суммирование, усреднение и т. п.). Результаты выводятся в виде графиков и таблиц, что даёт возможность сравнить несколько параметров одновременно. Запрос информации о произошедших событиях позволяет отслеживать нарушения технологического процесса как для отдельного параметра, так и для группы параметров и выявления причины их возникновения.

4. Ручное (оператором с компьютера) или автоматическое регулирование температуры и влажности, управление прочими устройствами (освещение, регулирующие клапаны и т. д.).

Предлагаемая структура системы мониторинга, диспетчеризации и автоматизации тепличного хозяйства построена по принципу максимального приближения локальных управляющих устройств к объекту управления и называется распределённой системой. Распределённая система позволяет значительно снизить затраты на монтажные работы, кабельную продукцию и время производства работ.

Персональный компьютер АРМ оператора и микроконтроллеры через блоки согласования объединены в общую сеть и работают под управлением сети MicroLAN. Блок согласования подключается к последовательному порту компьютера и выполняет функции преобразователя интерфейсов 1-Wire в RS-232 и наоборот. По интерфейсу 1-Wire происходит опрос входных параметров сетевых контроллеров для диспетчеризации и управления.

2. Смесительное устройство

Для поддержания требуемой влажности воздуха и почвы в теплицах комбината, необходима вода для полива. Чтобы уменьшить влияние распыляемой воды на температуру воздуха и почвы в теплице, необходимо, как уже отмечалось, распылять воду, с температурой которой равной температуре воздуха в теплице. Для получения воды необходимой температуры используется смесительное устройство.

2.1. Математическая модель смесительного устройства

Смесительное устройство представляет собой емкость объемом .

Рис. 2.1. Смесительное устройство.

Бак наполняется с помощью двух потоков горячей и холодной воды, имеющих переменные мгновенные расходы и. Температуры входных потоков равны соответсвенно и. Выходной поток имеет массовую скорость истечения. Содержимое бака перемешивается так, что температура выходного потока должна составлять .

Уравнения баланса масс для бака имеют следующий вид [3]:

Мгновенный расход выходного потока зависит от высоты следующим образом:

где — экспериментальная константа. Так как бак имеет постоянную площадь поперечного сечения, то можно записать:

;

тогда уравнения баланса масс примут следующий вид:

Рассмотрим случай установившегося состояния, когда все величины являются постоянными:, и — расходы, — объем и — температура воды в баке. Тогда выражения (2.4), (2.5) и (2.6) можно записать в следующем виде:

Предположим, что возникли небольшие отклонения от установившегося состояния:

где и — входные переменные (управляющие воздействия), а и — переменные состояния. Полагая, что указанные параметры являются малыми, линеаризируя (2.5) и (2.6), получим:

Подставляя (2.7) в уравнения (2.8) и (2.9), получим:

Введем параметр время заполнения бака, равный:

Запишем систему в переменных состояния:

где и .

Если определить выходные переменные в виде:

то можно записать уравнение выходной переменной:

где

Матрицы А, В и С будут иметь следующий вид:

Так как расходы потоков равны:, а температуры —, ,, то

согласно формуле (2.10)

Подставляя численные значения параметров в (2.12), получим:

Представим объект управления в виде структурной схемы:

Рис. 2.2. Структурная схема объекта управления.

Как видно из рис. 2.2 смесительное устройство является многосвязным объектом.

2.2. Синтез замкнутой системы управления смесительным устройством

Регулирование смесительным устройством, производится следующим образом. Расход выходного потока регулируется расходом потока 2 холодной воды. Если выходная температура отличается от желаемого значения, регулируется расход потока 1 горячей воды.

Рис. 2.3. Схема замкнутой системы управления смесительным устройством.

На рис. 2.3 показана блок-схема системы управления. Так как поток 1 имеет более высокую температуру, то температура воды в баке более чувствительна к регулированию потока 1. В результате расходом потока холодной воды более удобно регулировать выходной расход. Однако, поскольку расход потока горячей воды также воздействует на выходной поток, а расход холодной воды — на его температуру, то необходимо учитывать взаимное влияние контуров.

С учетом изложенного выше структурная схема объекта управления имеет следующий вид:

Рис. 2.4. Преобразованная структурная схема объекта управления.

Как видно из рис. 2.4 передаточные функции объекта управления представлены следующими выражениями:

2.2.1. Настройка и моделирование отдельных контуров системы

В ряде практических случаев реальные контуры системы управления электропривода (СУ ЭП) могут быть сведены к простейшим контурам второго или третьего порядка. В этом случае применим метод настройки на оптимум по модулю. Смысл термина «настройка на оптимум по модулю» состоит в том, что стремятся в широкой полосе частот сделать модуль АЧХ замкнутой системы близким к единице.

Вначале рассмотрим контура замкнутой системы без учета взаимного влияния. Структурные схемы контуров представлены на рис. 3.5, 3.6.

Рис. 2.5. Структурная схема контура стабилизации температуры выходного потока.

Рис. 2.6. Структурная схема контура стабилизации расхода выходного потока.

Так как объект управления по каждому из контуров представляет собой инерционное звено первого порядка, то в этом случае необходимо и достаточно использовать ПИ-регулятор с передаточной функцией:

Произведем расчет передаточных функция и коэффициентов усиления всех блоков, входящих в состав замкнутой системы.

Так как максимальное напряжение на входе АЦП, то коэффициент передачи усилителя напряжения (УН) составит:

Передаточная функция сервопривода имеет вид:

где определяется как:

— коэффициент усиления датчика положения:

Подставляя (2.16) в (2.15), получим

постоянную времени сервопривода найдём следующим образом:

— номинальное время полного хода выходного вала, с, следовательно

Подставляя (2.17) и (2.18) в (2.14) получим:

Коэффициент передачи регулирующего органа равен:

;

Так как расход выходного потока равен:

то коэффициент пересчёта равен:

Согласно формулам (2.13) и (2.19) и с учетом того, что :

Моделирование производилось в среде SIMULINK 4 пакета прикладных программ MATLAB версии 6.1.0.450 Release 12. К моделированию была представлена схема, изображенная на рис. 3.8.

Рис. 2.7. Схема для исследования работы контуров без учета взаимного влияния.

Результаты моделирования отдельных контуров представлены на рис. 2.8, 2.9.

Рис. 2.8. Переходной процесс в контуре стабилизации температуры без учета взаимного влияния контуров.

Рис. 2.9. Переходной процесс в контуре стабилизации расхода выходного потока без учета взаимного влияния контуров.

2.2.1 Исследование взаимного влияния контуров

Так как контура исследуемой системы находятся во взаимном влиянии, то при учете этого обстоятельства структурная схема принимает следующий вид:

Рис. 2.10. Схема для исследования взаимного влияния контуров.

В этом случае результаты моделирования имеют вид, представленный на рис. 2.12, 2.13.

Рис. 2.11. Переходной процесс в контуре стабилизации температуры с учетом взаимного влияния контуров.

Рис. 2.12. Переходной процесс в контуре стабилизации температуры с учетом взаимного влияния контуров.

По переходным характеристикам системы представленной на рис. 2.11 можно сделать вывод о том, что учет взаимного влияния контуров приводит к резкому увеличению перерегулирования в контуре стабилизации температуры выходного потока.

Для компенсации взаимного влияния контуров используется корректирующие перекрёстные связи W_рк1 и W_рк2 между каналами регулирования, которые компенсируют перекрёстные связи объекта управления рис. 2.4.

Для определения передаточных функций компенсационных регуляторов W_рк1 и W_рк2, воспользуемся формулой Мейсона. Запишем передаточную функцию замкнутой системы для канала 1−2, из точки в точку.

где — передаточная функция i-го прямого пути из точки в точку ;

k — число прямых путей из точки в точку ;

— передаточная функция j-го замкнутого контура;

m — число замкнутых контуров.

Рис. 2.13. Структурная схема управления смесительным устройством.

Рассматриваемая система имеет два прямых пути из точки в точку :

и пять замкнутых контуров:

Подставляя (2.24)-(2.30) в (2.23) и решая полученное уравнение относительно, получим:

Так как, то из (2.31) имеем:

Аналогичным образом находится передаточная функция .

Рис. 2.14. Схема для исследования компенсации взаимного влияния контуров.

Рис. 2.15. Переходной процесс в контуре стабилизации температуры с компенсацией взаимного влияния контуров.

Рис. 2.16. Переходной процесс в контуре стабилизации расхода выходного потока с компенсацией взаимного влияния контуров.

2.3. Учет влияния возмущений

На вход системы управления смесительным баком действуют возмущения в силу того, что расходы и температуры потоков и не постоянны. Обычно возмущения не превышают 10% полезного сигнала. В связи с этим обстоятельством добавим на вход системы возмущающее воздействие.

Рис. 2.17. Схема для исследования влияния возмущений на работу системы.

При моделирование схемы, представленной на рис. 2.17, получили следующие переходные характеристики.

Рис. 2.18. Переходной процесс в контуре стабилизации температуры с учетом возмущений.

Рис. 2.19. Переходной процесс в контуре стабилизации расхода выходного потока с учетом возмущений.

Рис. 2.20. Ошибка в установившемся режиме в контуре стабилизации температуры выходного потока с учетом возмущений.

Рис. 2.22. Ошибка в установившемся режиме в контуре стабилизации расхода выходного потока с учетом возмущений.

Как видно из результатов моделирования (рис. 2.18 — 2.22), замкнутая система, оснащенная компенсационными регуляторами, в установившемся режиме обеспечивает точность, удовлетворяющую техническому заданию.

Так как замкнутая система сама по себе хорошо сглаживает входные помехи, то в данном случае нет необходимости в синтезе наблюдателя Калмана-Бьюси.

Структурная и функциональная схемы САУ смесительного устройства представлены в приложении (ЦТРК 2101.980 901.0000 Э01, ЦТРК 2101.980 901.0000 Э01)

2.4. Разработка функциональной схемы

Сигналы от датчиков температуры и расхода выходного потока смесительного устройства 1а, 2а, установленных на выходной трубе смесительного устройства, поступают на преобразователи 1б и 2б, соответственно. Затем сигналы попадаются на устройства управления 1 В и 2 В, которые через магнитные пускатели 1 г и 2 г и двигатели 1д и 2д воздействует на регулирующие органы, изменяющие расходы, поступающих в смеситель потоков горячей и холодной воды.

2.5. Выбор исполнительных устройств

Исполнительные устройства (ИУ) состоят из двух функциональных блоков: регулирующего органа (РО), непосредственно действующего на процесс изменением количества подаваемого вещества или энергии, и исполнительного механизма (ИМ), предназначенного для управления регулирующим органом в соответствии с командной информацией, получаемой от управляющего устройства. Выходным параметром ИУ является расход вещества или энергии. Для регулирующих органов, которые управляют расходом вещества, используются однооборотные или многооборотные исполнительные механизмы. Момент, развиваемый ИМ должен быть больше реактивного момента, обусловленного стремлением потока закрыть заслонку. Превосходство момента исполнительного механизма над реактивным моментом объясняется необходимостью учёта трения в сальниках и подшипниках скольжение регулирующего органа.

Таким образом:

где — коэффициент, зависящий от угла поворота заслонки,

— максимальный угол, обеспечивающий максимальный расход вещества,

— перепад давления на диске заслонки.

— диаметр заслонки.

Подставив численные значения:

;; ,

найдём момент, развиваемый ИМ:

.

В качестве исполнительного механизма будем использовать однооборотные двигатели МЭО, предназначенные для приведения в действие и перемещения различных регулирующих органов: задвижек, заслонок, затворов, клапанов, кранов и др.

Отличительными характеристиками таких двигателей являются:

· большой пусковой момент на выходном валу, что обеспечивает высокие динамические характеристики механизма;

· малый выбег выходного вала механизма, за счёт самотормозящейся передачи;

· малый люфт выходного вала, что обеспечивает высокую точность регулирования во времени;

· возможность кратковременной работы двигателя в стопорном режиме за счёт специальной конструкции двигателя, что позволяет повысить живучесть объекта управления в аварийных ситуациях;

· наличие в составе механизма датчика положения выходного вала (токовый, индуктивный или реостатный), концевых и путевых микропереключателей с серебряными контактами, что позволяет формировать дискретную информацию о крайних и промежуточных положениях рабочего органа арматуры и аналоговую (цифровую) информацию о динамики его перемещения;

· наличие в составе механизма механических ограничителей полного хода выходного органа позволяет предохранить арматуру от механических повреждений при отказе концевых микропереключателей.

Структура ИМ состоит из усилителя мощности, электрического двигателя, редуктора, датчика положения.

По результатам расчётов был выбран следующий тип двигателя:

Для стабилизации влажности воздуха .

Этот двигатель обладает следующими техническими характеристиками:

1. Номинальный крутящий момент на выходном валу: .

2. Полный ход выходного вала:

3. Номинальное время полного хода выходного вала: .

4. Напряжение питания:, или .

5. Потребляемая мощность: .

6. Габаритные размеры: .

7. Масса: .

Работа такого исполнительного механизма осуществляется в «старт-стопном» режиме. При этом в МК вычисляется направление и требуемый угол поворота заслонки и включается двигатель, который начинает поворачивать регулирующий орган. Одновременно с этим, происходит измерение текущего положения заслонки и сравнение его с заданным. Как только угол поворота достигнет требуемого значения, двигатель будет остановлен.

2.6. Выбор датчиков

Датчики предназначены для измерения параметров, подлежащих контролю или управлению. В системе управления смесительным устройством используются датчики расхода воды и температуры.

В качестве датчика температуры используется ТСМ-012, предназначенный для измерения температуры жидких и газообразных сред.

Основные технические характеристики:

1. Диапазон измерения:.

2. Сопротивление:.

3. Основная погрешность: .

4. Класс допуска: .

5. Показатель термической активности: .

6. Давление рабочей среды: .

7. Номинальная статическая характеристика: .

8. Выходной сигнал:

В качестве датчика расхода воды используется вихреакустический преобразователь объемного расхода с ультразвуковым детектированием вихрей Метран-ЗООПР. Предназначен для технологического и коммерческого учета расхода и объема воды и водных растворов в составе теплосчетчиков или счетчиков-расходомеров, а также в составе систем АСУТП и АСКУЭ.

Основные технические характеристики:

1. Измеряемые среды: вода (питьевая, теплофикационная, техническая, речная и т. п.) и водные растворы, кроме абразивных, с вязкостью до 2−10 6 м2/с (2 сСт).

2. Диапазон температур измеряемой среды: .

3. Избыточное давление измеряемой среды в трубопроводе: .

4. Диаметр условного прохода Dy трубопровода: .

5. Пределы измерений: .

6. Динамический диапазон: .

7. Предел относительной погрешности измерений объема: .

8. Выходной сигнал:.

2.7. Выбор микроконтроллера

Центральным узлом блока нижнего уровня является микроконтроллер, который управляет всеми функциональными частями блока, а также выполняющий функции предварительной обработки сигнала. Выбор его должен осуществляться исходя из требований к точности представления и обработки сигнала, а также требований к наличию в его составе некоторых дополнительных возможностей, необходимых для реализации блока нижнего уровня СУУ.

Компания ATMEL — один из мировых лидеров в производстве широкого спектра микросхем энергонезависимой памяти, FLASH-микроконтроллеров и микросхем программируемой логики, взяла старт по разработке RISC-микроконтроллеров в середине 90-х годов, используя все свои технические решения, накопленные к этому времени.

AVR-архитектура, объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистраккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды. 32 регистра общего назначения образуют регистровый файл быстрого доступа, где каждый регистр напрямую связан с АЛУ. За один такт из регистрового файла выбираются два операнда, выполняется операция, и результат возвращается в регистровый файл. Все микроконтроллеры AVR имеют встроенную память программ с возможностью внутрисхемного программирования через последовательный интерфейс.

Для целей управления микроконтроллеры AVR делает привлекательным их хорошо-развитая периферия, которая включает в себя: таймеры-счётчики, широтно-импульсные модуляторы, поддержку внешних прерываний, аналоговые компараторы, встроенный АЦП, параллельные порты ввода и вывода, интерфейсы, сторожевой таймер и устройство сброса по включению питания. Компания ATMEL предлагает бесплатную программную среду AVR-studio для отладки программ в режиме симуляции на программном отладчике, а также для работы непосредственно с внутрисхемным эмулятором.

Все эти качества превращают AVR-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения современных, высокопроизводительных и экономичных контроллеров различного назначения.

В рамках единой базовой архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на три подсемейства:

· Classic AVR — основная линия микроконтроллеров с производительностью отдельных модификаций до 16 MIPS;

· mega AVR для сложных приложений, требующих большого объема памяти;

· tiny AVR — низкостоимостные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении.

Для выбора конкретного микроконтроллера из всего модельного ряда AVR проанализируем техническое задание и структурную схему. Микроконтроллер должен содержать: аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) для возможности получения задания через потенциометр; USART (универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик) для связи контроллера с автоматизированным рабочим местом (ЭВМ); таймер с режимом широтно-импульсной модуляции.

Встроенные АЦП появились только в микроконтроллерах AT90S8534 и AT90S8535, семейства classic AVR, следовательно, младшие микроконтроллеры не пригодны для использования в данном проекте. Однако существующий у этих микроконтроллеров режим ШИМ имеет один существенный недостаток: частота ШИМ может принимать только несколько фиксированных значений в зависимости от предделителя. Так же необходимо отметить, что это последние микроконтроллеры данного семейства и компания ATMEL их больше не производит.

Все вышесказанное заставляет нас обратиться к семейству mega AVR, где самым подходящим (т.е. обладающий всеми перечисленными свойствами) является микроконтроллер ATmega 16.

Перечислим его основные свойства:

· память программ 16 Кб (10 000 циклов перезаписи);

· память данных 512 б;

· 32 8-разрядных регистров общего назначения;

· 2 востренных перемножителя;

· 2 8-разрядных таймера с раздельными предделителями;

· 1 16-разрядный таймер с раздельным предделителям и режимом захвата;

· программируемый сторожевой таймер;

· 4 канала ШИМ;

· 8-канальный встроенный АЦП;

· 4 порта ввода-вывода

· USART (универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик);

· SPI (последовательный периферийный интерфейс).

Рис 2.23. Разводка контактов для ATmega 16 в корпусе PDIP

Внешние выводы микроконтроллера:

· VCC и GND (общий) — клеммы подключения источника питания цифровых элементов;

· AVCC, AGND (общий провод для аналоговых входов АЦП), AREF — питание и опорное напряжение АЦП и его мультиплексора;

· RESET — сигнал внешнего сброса (низкий уровень длительностью более 50 нс), при включении питания сброс микроконтроллера производится автоматически

· XTAL1 и XTAL2 — соответственно вход и выход тактового генератора (для подключения частотозадающего кварцевого резонатора и общей синхронизации с другими устройствами), аналогичные электроды вспомогательного генератора асинхронного режима таймера 2 — выводы PC6 и PC7;

· PA0-PA7, PB0-PB7, PC0-PC7, PD0-PD7 — 32 линии ввода-вывода, объединены в 4 восьмиразрядных порта (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD. Их функции дублируются входами и выходами встроенных в микроконтроллер периферийных устройств.

· AREF — опорное напряжения АЦП.

Альтернативные функции выводов микроконтроллера:

· Т0, Т1 — входы таймерв/счетчиков от внешнего источника импульсов,

· AIN0, AIN1 — положительный и отрицательный выходы аналогового компаратора,

· SS, MOSI, MISO, SCK — выводы для подключения SPI устройств,

· RXD, TXD — вход и выход блока UART,

· INT0, INT1 — входы для внешних источников прерываний,

· OC1B, OC1A, OC2 — выходы таймеров/счетчиков,

· ICP — вход защелки (ловушки) таймера/счетчика,

· ADC0-ADC7 — входы каналов АЦП,

· TOSC2, TOSC1 — входы внешних осцилляторов для таймеров/счетчиков.

Имеет Flash-память объемом 8 Кбайт, а также встроенную EEPROM-память объемом 512 байт и такую же по объему SRAM-память. Все это позволяет создавать на его основе достаточно эффективные приложения, с возможностью сохранять некоторые параметры процесса в энергонезависимой памяти.

Таймер T/C1 — 16-битный. Он обладает хорошими возможностями для использования его в качестве широтно-импульсного преобразователя (ШИМ). Для его настройки используются несколько регистров. В них мы можем задать режим работы таймера, скважность генерируемых импульсов, частоту синхронизации и т. д. Временные диаграммы работы счетчика в режиме широтно-импульсного преобразователя приведены на рис. 2.24.

Рис. 2.24. Временные диаграммы работы счетчика в режиме ШИМ.

Поясним кратко его работу. 16-разрядный счетчик подсчитывает каждый импульс, поступающий на его вход с делителя частоты. При этом сначала он считает вверх (то есть, прибавляя единицу на каждом шаге), а по достижении верхнего значения FF он начинает считать вниз (то есть, вычитая единицу на каждом шаге). При этом если значение в регистре TCNT1 меньше OCR1, на выходе ШИМ преобразователя (PWM Output) устанавливается единица. Если же значение регистра TCNT1 превышает содержимое OCR1, на выходе ШИМ преобразователя устанавливается логический ноль. Это позволяет генерировать импульсы с заданной частотой и скважностью для управления аналоговыми исполнительными механизмами. В нашем случае к его выходу подключается усилитель мощности, питающий ИМ.

2.8. Разработка принципиальной схемы.

Так как датчики ТСМ-012 и Метран-ЗООПР имеют токовый выход с максимальным значением 20мА. Поэтому перед подачей на вход микроконтроллера его необходимо преобразовать в напряжение и нормализовать. Схема блока согласования уровней сигналов приведена на рис. 2.26. В качестве ОУ используется прецизионный операционный усилитель К140УД17 с низким дрейфом нуля и малым напряжением смещения.

Рис. 2.25. Операционный усилитель К140УД17.

Таблица 2.1. Основные параметры ОУ К140УД17.

Рис. 3.25. Схема блока согласования.

Операционный усилитель К140УД17 требует для своего питания стабильного напряжения номиналом В., поучаемой с помощью трансформатора с двумя вторичными обмотками, выпрямителя VD7, VD8, VD9, VD10 и двух идентичных стабилизаторов напряжения.

Рис. 2.27. Схема стабилизатора напряжения на В.

Исполниетельные механизмы требуют для своей работы высокого напряжения 220 В, а также потребляют достаточно большую мощность. Для формирования рабочих напряжений на них необходимо использовать соответствующие усилители мощности, реализованные на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT).

IGBT представляют собой гибрид биполярного и полевого транзистора и сочетают в себе все их положительные качества. IGBT имеют большую коммутируемую мощность, высокие рабочие частоты, малые статические и динамические потери, малую мощность управляющего сигнала. Несмотря на то, что скорости переключения IGBT достаточно высоки, они включаются все же медленней, чем МОП-транзисторы. IGBT имеют затяжку тока при выключении, что ограничивает частоты переключения с ШИМ и в других ключевых схемах пределом около 50кГц.

Во входной цепи IGBT-транзисторов присутствует достаточно большая емкость, наличие которой связано с технологией производства подобных приборов. Для ее перезаряда требуется специальным образом сформированное напряжение. Для этих целей промышленностью выпускаются специализированные микросхемы драйверов. Их главное назначение — обеспечение выходного тока, достаточного для быстрого перезаряда входных емкостей транзистора, и как следствие, транзистор может работать на больших частотах. В качестве драйвера предлагается использовать микросхему IR2118 от фирмы International Rectifier.

Для питания выходных каскадов силовой части блока необходимо наличие постоянного напряжения величиной 220 В, которое формируется с помощью двухполупериодного выпрямителя, оснащенного сглаживающим фильтром, выполненном на электролитическом конденсаторе.

Рис. 2.28. Схема выпрямителя.

Основное питающее напряжение схемы +5 В. Для его формирования используется схема представленная на рис. 3.30.

Рис. 2.29. Схема стабилизатора +5 В.

АЦП микроконтроллера ATmega 16 требует присутствия внешней схемы, обеспечивающей стабильное напряжение U_AREF=4,096 В. В качестве источника опорного напряжения используется микросхема TL431 (рис. 3.31) — прецизионный регулируемый источник опорного напряжения, имеющий в своем составе достаточно сложную схему термокомпенсации, и позволяющий получить точно заданное значение выходного опорного напряжения, стабильное в широком диапазоне температур.

Рис. 2.30. Микросхема TL431.

Принципиальная схема САУ смесительного устройства представлена в приложении (чертеж ЦТРК 2101.980 901.0000.Э03).

3. Сопряжение верхнего и нижнего уровней АСУ тепличного комбината

Одной из составных частей современного электронного оборудования стали коммуникационные сети. Они занимают серьезное место в области использования персональных компьютеров, периферийных устройств, офисного оборудования, управления инженерным оборудованием зданий, контроля производственных процессов и даже в таких областях, как управление различными приборами автомобилей и управление бытовой техникой. Однако, в зависимости от области применения требования к сетям совершенно различны. Так как между нижним и верхним уровнями АСУ тепличного комбината происходит постоянный обмен информацией о ходе технологического процесса, поэтому необходимо организовать её надежную передачу.

3.1. Выбор сети

Одним из важных параметров любой сети является скорость передачи информации, выражаемая в битах в секунду [bps], Если в течение долей секунды должны быть переданы миллионы бит информации, как в случае использования компьютерных сетей, то необходимо использование высокоскоростной архитектуры, поддерживающей передачу данных со скоростями порядка 10 миллионов бит в секунду. Такие задачи чаще всего решаются путем использования сети ETHERNET. Сети ETHERNET могут расширяться фактически бесконечно, однако практически размеры сети ограничены финансовыми параметрами, такими как стоимость репиторов, мостов и маршрутизаторов, а также увеличивающейся с ростом сети нестабильностью ее работы и увеличением времени отклика. Существуют также и другие системы, позволяющие обеспечить близкие параметры по скорости передачи информации. Одним из таких примеров являются системы, построенные на основе интерфейса RS485.

Одно из важных свойств сети состоит в минимальных затратах, необходимых для прокладки линий связи, по которым информация из различных точек будет поступать на центральный пульт управления. С центрального пульта может осуществляться контроль за состоянием различных датчиков и, наоборот, могут передаваться сигналы управления открыванием дверей, включением и выключением света, кондиционеров, или подаваться сигналы тревоги, если, например, разбито окно, открыта дверь в недопустимое время или произошел выход процесса за технологические границы. Аналогичная концепция может использоваться для контроля за производственным оборудованием и дистанционного управления им из одной точки.

Для всех этих областей применения характерны некоторые общие свойства, предъявляемые к параметрам сети:

1. Большое и непредсказуемое число точек расположения приборов.

2. Значительная протяженность линий связи.

3. Небольшой объем передаваемых данных.

4. Некритичность к скорости передачи данных.

Однопроводная информационная сеть MicroLAN имеет следующие преимущества:

1. Простое и оригинальное решение адресуемости абонентов.

2. Несложный протокол.

3. Простая структура линии связи.

4. Легкое изменение конфигурации сети.

5. Значительная протяженность линий связи.

6. Исключительная дешевизна всей технологии в целом.

3.2. Выбор типа линии связи

MicroLAN представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных и один возвратный (или земляной) провод. Таким образом, для реализации среды обмена этой сети могут быть использованы, как доступные кабели, содержащие неэкранированную витую пару той или иной категории, так и обычный телефонный провод. Подобные кабели при их прокладке не требуют, как правило, наличия какого-либо специального оборудования. Ограничение максимальной длины однопроводной линии, реализуемое без специальных дополнительных вспомогательных устройств (повторителей), регламентировано на уровне 300 м. Как правило, однопроводные линии связи сети MicroLAN имеют структуру, состоящую из трех основных проводников: DATA — шина данных, RET — возвратный или земляной провод, EXT_POWER — внешнее питание не только обслуживаемых ведомых устройств, но и внешних относительно них цепей датчиков и органов управления. В зависимости от способа прокладки, сопряжения с ведомыми устройствами и используемых при прокладке материалов, в соответствии с табл. 3.1 различают три основных варианта качества организации 1-Wire сетей, каждый из которых подразумевает использование особой технологии и аксессуаров при реализации линии.

Таблица 3.1. Варианты организации 1-Wire сетей.

При анализе требований к информационной сети АСУ тепличного комбината были отмечены следующие факторы:

1. Длина линии составляет порядка 300 метров.

2. Количество ведомых устройств — до 50 шт.

3. Скорость передачи данных не имеет существенного значения, так как тепличный комбинат представляет собой сильно инерционный объект с постоянными времени порядка 2000 секунд.

Исходя из вышеперечисленных факторов, в информационной сети АСУ тепличного комбината будет использоваться IEEE1394(FireWire) кабель.

Firewire является эластичным огнеупорным кабелем с двойной изоляцией. Он состоит из двух индивидуально изолированных витых пар, плюс два отдельных проводника для подвода питания. Структура такой линии должна использовать один из проводов для передачи данных (DATA), второй в качестве возвратного проводника или земли (RETURN). Эти два сигнала передаются, как правило, по одной из витых пар. Третий проводник необходим для передачи энергии к однопроводным компонентам (EXT_POWER), а четвертый не используется (зарезервирован для применений пользователя).

3.3. Идентификация устройств в сети MicroLAN

Благодаря встроенному сетевому контроллеру, все приборы MicroLAN пригодны для использования в сети с момента своего выпуска. При производстве гарантируется уникальность сетевого адреса для каждого выпускаемого прибора. В сети MicroLAN не существует опасности конфликта сетевых адресов и недостаточности адресного пространства. Каждый прибор, предназначенный для работы в составе сети MicroLAN, содержит страницу данных, необходимую для идентификации прибора, и называемую областью ПЗУ. В эту область при производстве микросхемы записывается с помощью лазерного луча уникальный для каждой микросхемы серийный номер. Занесение этого кода очень строго контролируется в процессе производства, и фирма Dallas Semiconductor гарантирует уникальность серийного номера для каждой микросхемы. Поэтому именно значение серийного номера используется для идентификации прибора в составе сети и для управления доступом к отдельным приборам. Кроме серийного номера в область ПЗУ заносится групповой код, отражающий функциональное назначение микросхемы, и контрольная сумма всех данных в области ПЗУ.

После подачи питания ведущему шины доступны только приборы, подключённые к основному стволу сети. Для взаимодействия с остальными устройствами ведущий шины должен изучить топологию сети. Поэтому на первом этапе выполняется анализ только адресуемых ключей в сети. Начиная с основного ствола, ведущий шины последовательно опрашивает и записывает регистрационные номера всех адресуемых ключей. Затем найденные ключи последовательно открываются, и происходит дальнейший опрос ветвей второго уровня. Обнаруженные на них ключи также регистрируются и по очереди открываются. После этого становится возможным опрос ветвей третьего уровня. Процедура продолжается до окончательного построения топологии сети в памяти контроллера. На следующем этапе ведущий идентифицирует оставшиеся приборы. Для этого, опираясь на изученную топологию переключателей сети, он последовательно открывает все ветви и записывает регистрационные номера обнаруженных приборов. После построения точной топологии сети MicroLAN становится возможен быстрый доступ к каждому прибору. Ведущий открывает все ключи на пути к нему, отменяя при этом выбор всех остальных приборов на линии.

3.4. Выбор топологии сети

Основой архитектуры сетей MicroLAN, является топология общей шины, когда каждое из устройств подключено непосредственно к единой магистрали, без каких-либо каскадных соединений или ветвлений. При этом в качестве базовой используется структура сети с одним ведущим или мастером и многочисленными ведомыми. Конфигурация любой сети MicroLAN может произвольно меняться в процессе ее работы, не создавая помех дальнейшей эксплуатации и работоспособности всей линии в целом, если при этих изменениях соблюдаются основные принципы организации однопроводной шины. Эта возможность достигается благодаря присутствию в протоколе 1-Wire интерфейса специальной команды поиска ведомых устройств (Поиск ПЗУ), которая позволяет быстро определить новых участников информационного обмена. Стандартная скорость отработки такой команды составляет около 75 узлов сети в секунду. Часто при организации больших однопроводных сетей, с целью удобства проводки линии связи, уменьшения ее протяженности или снижения электрической нагрузки на линии благодаря уменьшению одновременно работающих на ней устройств, необходимо обеспечить древовидную структуру 1-Wire линии. Для этого используют ветвления сетей MicroLAN одного или нескольких уровней. Основным элементом при построение таких ветвей является обычный адресуемый ключ типа DS2406P, который обеспечивает ветвление благодаря коммутации возвратного провода однопроводной линии.

Общая схема подключения устройств с помощью однопроводной сети изображена на рис. 3.1. Одна или несколько однопроводных сетей подключаются к COM портам компьютера с помощью контроллера. К контроллеру подключается основная линия однопроводной сети, максимальная длина которой 300 метров (при необходимости линию можно вынести на несколько километров с помощью двух преобразователей RS232−485). Реальная длина зависит от уровня помех и от количества устройств. К основной линии подключаются датчики температуры и ключи дискретного ввода/вывода с помощью отводов длиной не более 3 метров.

Рис. 3.1. Общая структура сети MicroLAN.

В наиболее удалённой точке каждой ветви подключается микросхема iButton™, служащая меткой ветви. Метка позволяет контролировать прохождение электрического сигнала и целостность ветви. Для обеспечения надёжности передачи по сети MicroLAN в условиях нестабильного электрического контакта передача осуществляется в виде отдельных пакетов данных. В информационной однопроводной сети тепличного комбината Каждый пакет завершается контрольной суммой, что позволяет ведущему шины сразу регистрировать ошибки и принимать меры для повторной передачи.

Благодаря наличию в составе любого устройства, снабженного сетевой версией 1-Wire интерфейса, индивидуального уникального адреса (отсутствие совпадения адресов для приборов, когда-либо выпускаемых Dallas Semiconductor, гарантируется самой фирмой-производителем), сеть MicroLAN имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом каждый из таких приборов сразу готов к использованию в составе сетей MicroLAN, без каких-либо дополнительных аппаратно-программных модификаций. На рис. 3.2 приведена структура однопроводной сети АСУ тепличного комбината, где ML97U009 — мастер лини (см. пункт 3.7) ML00−12−035 блок питания (см. пункт 3.11), ML02A — метка линии (см. пункт 3.10), ML09 — адресуемый ключ (см. пункт 3.9), ML38Н — устройство измерения влажности и температуры (см. пункт 3.8), Z86E08 — микроконтроллер нижнего уровня АСУ тепличного комбинта.

Рис. 3.2. Структура однопроводной сети АСУ тепличного комбината.

3.5. Принципы работы однопроводной сети MicroLAN

Компоненты однопроводных сетей являются самотактируемыми полупроводниковыми устройствами, в основе обмена информацией между которыми лежит управление изменением длительности временных интервалов импульсных сигналов в однопроводной среде и их измерение. Передача сигналов, для 1-Wire интерфейса, асинхронная и полудуплексная, а вся информация циркулирующая в сети воспринимается абонентами либо как команды, либо как данные. Команды сети генерируются мастером и обеспечивают различные варианты поиска и адресации ведомых устройств, определяют активность на линии без непосредственной адресации отдельных компонентов, управляют обменом данными в сети.

3.6. Программное обеспечение сети MicroLAN

Особенно привлекательным качеством технологии MicroLAN является исключительная простота настройки, отладки и обслуживания сети практически любой конфигурации, построенной по этому стандарту. Действительно, для начала работы достаточно любого персонального компьютера, недорогого стандартного адаптера 1-Wire линии, а также свободно распространяемого фирмой Dallas Semiconductor программного пакета iButton-TMEX Viewer. Пакет iButton TMEX-Viewer позволяет с максимальным комфортом для разработчика идентифицировать любое из ведомых однопроводных устройств на линии MicroLAN и проверить в полном объеме правильность его функционирования в составе всей сети. Так же фирмой Dallas Semiconductor свободно распространяется профессиональный программный пакет разработчика iButton-TMEX SDK, являющийся универсальным средством для профессиональных программистов, который значительно упрощает процесс создания программ для обслуживания устройств с 1-Wire интерфейсом, подключенных через стандартные типы адаптеров к персональным компьютерам РС и некоторым типам карманных компьютеров. Он содержит комплект отлаженных драйверов и утилит для реализации полномасштабного однопроводного протокола. В качестве среды взаимодействия с разработчиком пакет iButton-TMEX SDK использует специальный стандартизованный программный интерфейс API. Кроме того, с fttp-сервера кампании Dallas Semiconductor свободно доступен ряд примеров реализации 1-Wire-протокола для микропроцессора Z86E08 компании Zilog, а также готовые библиотеки функциональных программных модулей однопроводного интерфейса для различных программных платформ. Z86E08 входит в состав распределенной микроконтроллерной системы стабилизации микроклимата в теплицах, представляющей собой нижний уровень АСУ тепличного комбината.

3.7. Выбор ведущего адаптера 1-Wire линии

Некоторые виды адаптеров, которые позволяют наделить любой персональный компьютер РС возможностью обслуживать в качестве мастера сеть MicroLAN, выпускаются самой фирмой Dallas Semiconductor. К ним относятся адаптеры для параллельного порта типа DS1410E или для последовательных COM портов типа DS9097E, DS9097U. Часто в качестве ведущего однопроводной шины выступает не компьютер, а простейший универсальный микроконтроллер. Для организации его сопряжения с сетью MicroLAN используются различные программно-аппаратные методы. От простейшего, когда управляющая программа контроллера полностью реализует протокол 1-Wire интерфейса на одном из своих двунаправленных выводов, который подключен к однопроводной линии, до вариантов, позволяющих высвободить значительные ресурсы контроллера, благодаря использованию специализированных микросхем сопряжения с сетью MicroLAN. Такие микросхемы подключаются к контроллеру, играющему роль ведущего шины, через периферийные узлы ввода/вывода, входящие в состав любого универсального микроконтроллера.

В нашем случае, так как АСУ тепличного комбината подразумевает наличие персонального компьютера, в качестве ведущего мы будем использовать адаптер последовательного COM порта ML97U-009.

Адаптер ML97U-009 (см. рис. 3.2) предназначен для организации на базе персонального компьютера мастера, обеспечивающего обслуживание стандартных однопроводных устройств, подключаемых к 1-Wire-сети, построенной по технологии фирмы Dallas Semiconductor Corp., на базе последовательного СОМ-порта персонального компьютера. В основе прибора лежит микросхема DS2480B фирмы Dallas Semiconductor Corp., являющаяся универсальным драйвером для сопряжения 1-Wire-линии со стандартным последовательным портом. ML97U-009 сохраняет все электрические характеристики и функциональные особенности установленного в нем драйвера. ML97U-009 является модификацией адаптера DS9097U-009 фирмы Dallas Semiconductor Corp., используя в качестве встроенной метки прибор DS2502 (групповой код 09Н + 1024 бит однократно программируемой памяти EPROM).

В качестве конструктива устройства ML97U-009 использована стандартная розетка разъема DB-9 °F с вмонтированным в корпус класса GC приемным разъемом-гнездом типа TJ6P4C (RJ-11), предназначенная для сопряжения 9-пинового последовательного СОМ-порта персонального компьютера с телефонной линией. Внутри корпуса разъема установлена печатная плата, содержащая все компоненты, необходимые для сопряжения последовательного порта с информационной 1-Wire-линией. Подключение однопроводной линии к печатной плате устройства обеспечивается с помощью стандартного приемного разъема-вилки типа TJ6P4C (RJ-11). Адаптер ML97U-009 имеет отдельный узел, выполняющий качественное преобразование напряжения высокого уровня (12В), снимаемого с отдельных, не задействованных для обмена информацией логических выводов СОМ-порта, до уровней (+5В), необходимых встроенным функциональным компонентам схемы прибора.