Разработка микропроцессорной системы управления насосным агрегатом

Содержание Введение

1. Разработка функциональной схемы микропроцессорной системы управления насосным агрегатом

2. Архитектура шин передачи данных

2.1 Архитектура последовательной шины передачи данных RS232

2.2 Архитектура последовательной шины передачи данных ISP

3. Обоснование выбора элементарной базы микропроцессорной системы управления насосным агрегатом

3.1 Микроконтроллер КР1816ВЕ51

3.2 Приемопередатчик MAX 202E

3.3 Микросхема K572ПВ

3.4 Микросхема К531ГГ1

4. Разработка алгоритма работы микропроцессорной системы управления насосным агрегатом

5. Разработка принципиальной схемы микропроцессорной системы управления насосным агрегатом Список использованных источников

Введение

Успехи в развитии нефтяной и газовой промышленности в значительной степени стали возможны вследствие создания и развития нефтяного приборостроения. Успешный процесс переработки нефти и газа зависит от строгого контроля и поддержания на заданном уровне давления, температуры, расхода, а также от контроля качества выходного продукта. Поэтому современное нефтеперерабатывающее производство возможно только при оснащении технических установок соответствующими автоматическими измерительными приборами, информационно — измерительными системами и системами автоматического управления.

Таким образом, современный этап развития добычи, переработки и хранения нефти и газа немыслим без применения контрольно — измерительных приборов.

Основной технической базой автоматизации управления технологическими процессами являются специализированные МПУ. При изучении специализированных МПУ рассматриваются приемы проектирования как аппаратных, так и программных средств МПУ. Проектирование аппаратных средств требует знания особенностей микропроцессорных комплектов микросхем различных серий и функциональных возможностей микросхем, входящих в состав микропроцессорного комплекта, умения правильно выбрать серию. Проектирование программных средств требует знаний, необходимых для выбора метода и алгоритма решения задач, входящих в функции МПУ, для составления программы (часто с использованием языков низкого уровня — языка кодовых комбинаций, языка Ассемблера), а также умения использовать средства отладки программ. Основой МПУ является микропроцессор — ИС, обладающая такой же производительностью при переработке информации, что и большая ЭВМ.

1. Разработка функциональной схемы микропроцессорной системы управления насосным агрегатом Структурная схема системы представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Структурная схема МПС Схема состоит из:

— микропроцессора, который является центральным блоком микропроцессорной системы. Он управляет всеми микросхемами и производит обработку данных;

— микропроцессор формирует адрес на системной шине адреса и осуществляет обмен с системной шиной данных;

— оперативное запоминающее устройство предназначено для хранения промежуточных данных;

— постоянное запоминающее устройство предназначена для хранения кода программы и различных констант;

— программируемый параллельный интерфейс предназначен для подключения внешних устройств. К программируемому программному интерфейсу подключены аналогово-цифровой преобразователь, дискретные сигналы и приемопередатчик;

— аналогово-цифровой преобразователь предназначен для преобразования аналогового сигнала с датчиков в цифровой код;

— приемопередатчик предназначен для организации обмена по последовательному каналу между диспетчерским пунктом и микропроцессором.

2. Архитектура шин передачи данных

2.1 Архитектура последовательной шины передачи данных RS 232

Для удобного взаимодействия терминального оборудования со связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду используется интерфейс RS-232.

RS-232 — интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 15 метров. Информация передается по проводам цифровым сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому «0» соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а логической «1» отрицательное (от -5 до -15 В для передатчика). Асинхронная передача данных осуществляется с фиксированной скоростью при самосинхронизации фронтом стартового бита.

По структуре это обычный асинхронный последовательный протокол, то есть передающая сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а принимающая отслеживает их и запоминает.

Данные передаются пакетами по одному байту (обычно 8 бит).

Вначале передаётся стартовый бит, противоположной полярности состоянию незанятой (idle) линии, после чего передаётся непосредственно кадр полезной информации, от 5 до 8-ми бит. Увидев стартовый бит, приемник выжидает интервал T1 и считывает первый бит, потом через интервалы T2 считывает остальные информационные биты. Последний бит — стоповый бит (состояние незанятой линии), говорящий о том, что передача завершена. Возможно 1, 1,5 или 2 стоповых бита. В конце байта, перед стоп битом, может передаваться бит чётности (parity bit) для контроля качества передачи. Он позволяет выявить ошибку в нечетное число бит (используется, так как наиболее вероятна ошибка в 1 бит).

В таблице 1 указаны основные параметры интерфейса RS 232.

Таблица 1 — Основные параметры интерфейса RS 232

Как видно из таблицы интерфейс RS 232 имеет ограничение на длину — 15 метров. Если требуется соединить устройства, расположенные на большем удалении, то требуется использовать преобразователи RS 232 — модемы или конвертеры RS 232 в RS 485.

Физический интерфейс реализуется разъемом DB-9M, изображенном на рисунке 2.

Назначение выводов 9-контактного разъема отображены в таблице 2.

Рисунок 2 — 9-контактная вилка типа DB-9M

Таблица 2 — Назначение выводов 9-контактного разъема

Назначение сигналов:

— CD — Устройство устанавливает этот сигнал, когда обнаруживает несущую в принимаемом сигнале. Обычно этот сигнал используется модемами, которые таким образом сообщают хосту о обнаружении работающего модема на другом конце линии;

— RXD — Линия приема хостом данных от устройства;

— RXD — Линия передачи хостом данных к устройству;

— DTR — Хост устанавливает этот сигнал, когда готов к обмену данными. Фактически сигнал устанавливается при открытии порта коммуникационной программой и остается в этом состоянии все время, пока порт открыт;

— DSR — Устройство устанавливает этот сигнал, когда включено и готово к обмену данными с хостом. Этот и предыдущий (DTR) сигналы должны быть установлены для обмена данными;

— RTS — Хост устанавливает этот сигнал перед тем, как начать передачу данных устройству, а также сигнализирует о готовности к приему данных от устройства. Используется при аппаратном управлении обменом данными;

— CTS — Устройство устанавливает этот сигнал в ответ на установку хостом предыдущего (RTS), когда готово принять данные (например, когда предыдущие присланные хостом данные переданы модемом в линию или есть свободное место в промежуточном буфере);

— RI — Устройство (обычно модем) устанавливает этот сигнал при получении вызова от удаленной системы, например при приеме телефонного звонка, если модем настроен на прием звонков.

Также следует рассмотреть электрические характеристики:

— логические уровни передатчика — «0» — от +5 до +15 Вольт, «1» — от -5 до -15 Вольт;

— логические уровни приемника — «0» — выше +3 Вольт, «1» — ниже -3 Вольт;

— максимальная нагрузка на передатчик — входное сопротивление приемника не менее 3 кОм.

Данные характеристики определены стандартом как минимальные, гарантирующие совместимость устройств, однако реальные характеристики обычно существенно лучше, что позволяет, с одной стороны, питать маломощные устройства от порта (например, так спроектированы многочисленные самодельные data-кабели для сотовых телефонов), а с другой — подавать на вход портаинвертированный TTL-уровень вместо двуполярного сигнала.

В протоколе обмена данными RS-232 существуют два метода управления обменом данных: аппаратный и программный, а также два режима передачи: синхронный и асинхронный. Протокол позволяет использовать любой из методов управления совместно с любым режимом передачи. Также допускается работа без управления потоком, что подразумевает постоянную готовность хоста и устройства к приему данных, когда связь установлена (сигналы DTR и DSR установлены).

Варианты методов управления и режимов передачи:

— аппаратный метод управления — реализуется с помощью сигналов RTS и CTS. Для передачи данных хост (компьютер) устанавливает сигнал RTS и ждет установки устройством сигнала CTS, после чего начинает передачу данных до тех пор, пока сигнал CTS установлен. Сигнал CTS проверяется хостом непосредственно перед началом передачи очередного байта, поэтому байт, который уже начал передаваться, будет передан полностью независимо от значения CTS. В полудуплексном режиме обмена данными (устройство и хост передают данные по очереди, в полнодуплексном режиме они могут делать это одновременно) снятие сигнала RTS хостом означает его переход в режим приема;

— программный метод управления — заключается в передаче принимающей стороной специальных символов остановки (символ с кодом 0×13, называемый XOFF) и возобновления (символ с кодом 0×11, называемый XON) передачи. При получении данных символов передающая сторона должна соответственно остановить передачу или возобновить ее (при наличии данных, ожидающих передачи). Этот метод проще с точки зрения реализации аппаратуры, однако обеспечивает более медленную реакцию и соответственно требует заблаговременного извещения передатчика при уменьшении свободного места в приемном буфере до определенного предела;

— синхронный режим передачи — подразумевает непрерывный обмен данными, когда биты следуют один за другим без дополнительных пауз с заданной скоростью. Этот режим COM-портом не поддерживается;

— асинхронный режим передачи — состоит в том, что каждый байт данных (и бит контроля четности, в случае его наличия) «оборачивается» синхронизирующей последовательностью из одного нулевого старт-бита и одного или нескольких единичных стоп-битов.

Схема потока данных в асинхронном режиме представлена на рисунке 3.

микропроцессорный управление насосный приемопередатчик Рисунок 3 — Схема потока данных в асинхронном режиме Протокол имеет ряд переменных параметров, которые должны быть приняты одинаковыми на стороне приемника и на стороне передатчика для успешного обмена данными:

— скорость обмена данными задается в битах в секунду, определяя длительность одного бита, выбирается из ряда стандартных значений (300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600), но могут быть и нестандартными, если поддерживаются обеими сторонами;

— количество бит данных может быть от 4 до 8;

— контроль четности может быть четным («even», когда общее число единичных битов в принятых данных, включая сам бит четности, должно быть четным), нечетным («odd», когда общее число единичных битов в принятых данных, включая сам бит четности, должно быть четным) или вообще отсутствовать;

— длина стоп-бита может составлять одну, полторы или две длительности бита.

2.2 Архитектура преобразователя сигналов для соединения приборов, имеющих выход RS232 с сетью «Ethernet»

Автоматизированная система контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ) — служит для обеспечения коммерческого и технического учета, ведение оперативного контроля текущей нагрузки, коммерческого и оперативного контроля потребления и отпуска электроэнергии, поддержку принятия решений при планировании энергопотребления и выработки энергосберегающей политики. Выполняя при этом задачу по снижению технических и комических потерь энергоресурсов за счет повышения точности и достоверности учета энергоресурсов, а также сокращения времени по сбору и обработке информации. Также благодаря этой системе возможно более детальное планирование и анализ потребления энергоресурсов, как в одной, так и нескольких тарифных зонах одновременно.

Схема построения АСКУЭ делится на три уровня:

— уровень первый — это уровень сбора информации. Элементами этого уровня являются приборы, измеряющие различные параметры системы. В качестве таких устройств могут применяться различные датчики как имеющие выход для подключения интерфейса RS-485, так и датчики подключенные к системе через специальные аналого-цифровые преобразователи;

— уровень второй — это связующий уровень. На этом уровне находятся различные контролеры необходимые для транспортировки сигнала;

— уровень третийэто уровень сбора анализа и хранения данных. Элементом этого уровня является компьютер, контролер или сервер.

MI486 — преобразователь сигналов для соединения приборов имеющих выход RS232 с сетью «Ethernet» (рис.4). Через сеть «Ethernet» приборы подключаются к компьютеру. Сигналы являются гальванически развязанными. Через интерфейсы, данные считываются с Приборов. Скорость передачи данных может, быть выше 115,200 бит / сек. Использование этого устройства позволяет объединение всех датчиков в группы по 247 шт. через данное устройство. И как следствие этого возможность увеличения количества датчиков в несколько раз, так как программа будет обращаться к каждой группе в отдельности, определяя принадлежность группы по IP — адресу устройства.

Соединения:

— вспомогательное питание — подключение к клеммам 13, 14;

— ethernet-связь — соединение с сетью 10/100 RJ45;

— адаптер RS 232 (для MI 486), максимальная длина 3 м.

Рисунок 4 — Преобразователь интерфейса MI 486

Технические характеристики:

— выходной интерфейс: RS-232;

— макс. скорость — до 112 кбод;

— входной интерфейс Ethernet 10BaseT/100BaseT;

— разъем RJ45.

3. Обоснование выбора элементной базы микропроцессорной системы управления насосным агрегатом

3.1 Микроконтроллер КР1816ВЕ51

Микроконтроллер КР1816ВЕ51 представляет из себя масочно программируемый контроллер с объемом ПЗУ 4096 байт.

Все типы процессоров имеют встроенное ОЗУ объемом 128 байт, позволяют расширять память программ и ОЗУ до 64К за счет внешних кристаллов памяти.

Архитектура процессоров содержит:

— двадцать регистров специального назначения;

— четыре банка рабочих регистров;

— стек с максимальной глубиной 128 байт;

— 128 контролируемых отдельных разрядов;

— 32 двунаправленные линии ввода/вывода;

— программируемый мультиплексный последовательный порт;

— два 16-разрядных таймера/счетчика;

— двухуровневая система прерываний;

— 5 источников прерываний;

— вложенная система прерываний.

Расширенная система команд, обеспечивающая:

— прямую повайтовую и побитовую адресацию;

— двоичную и двоично-десятичную арифметику;

— контроль переполнения и четности/нечетности.

Длительность цикла команды — 1 мкс, при тактовой частоте 16 МГц.

Расположение и обозначение выводов представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 — Расположение и обозначение выводов в КР1816ВЕ51

Назначение выводов представлены в таблице 3.

Таблица 3 — Назначение выводов в КР1816ВЕ51

Электрические параметры:

— напряжение питания — Ucc 5В;

— частота тактового генератора — от 1.2 до 12 МГц.

Предельно допустимые режимы эксплуатации:

— диапазон рабочих температур — от 0 °C до 70 °C;

— напряжение на любом выводе;

— относительно земли — -0.5 — +7В;

— мощность рассеивания — 2 Вт.

Статические параметры представлены в таблице 4.

Таблица 4 — Статические параметры

Основу структурной схемы КР1816ВЕ51 (рисунок 6) образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой все основные узлы и устройства: резидентную память, АЛУ, блок регистров специальных функций, устройство управления и порты ввода/вывода. Рассмотрим основные элементы структуры и особенности организации вычислительного процесса в КР1816ВЕ51.

Рисунок 6 — Структурная схема КР1816ВЕ51

3.2 Приемопередатчик MAX 202E

Приемопередатчик MAX 202E — приемопередатчик RS-232 с электростатической защитой.

Технические характеристики приведены в таблице 5.

Таблица 5 — Технические характеристики MAX 202E

Основные параметры представлены в таблице 6.

Таблица 6 — Основные параметры MAX 202E

На рисунке 7 представлена блок-схема приемопередатчика MAX 202E.

Рисунок 7 — Блок-схема приемопередатчика MAX 202E

На рисунке 8 представлено описание выводов приемопередатчика MAX 202E.

Рисунок 8 — Описание выводов приемопередатчика MAX 202E

В таблице 7 приведены значения выводов MAX 202E.

Таблица 7 — значения выводов MAX 202E

3.3 Аналого-цифровая система K572ПВ

K572ПВ представляет собой 8-ми канальную аналого-цифровую систему (АЦС) сбора данных, которая обеспечивает:

— цифровую обработку аналоговой информации по 8-ми независимым входам;

— хранение результатов преобразования по каждому каналу в статическом ОЗУ емкостью;

— 8×8 бит;

— выход через буферные схемы на 8-ми разрядную шину данных;

— автоматический режим опроса каналов синхронно с тактовой частотой микропроцессорной;

— системы и не требует специальных подпрограмм обращения, обращение к АЦС по принципу;

— прямого доступа к памяти (DMA);

— сопряжение с микропроцессорными системами с раздельными или общими шинами;

— адресации данных;

— однополярный и двуполярный режим работы.

Назначения выводов представлены в таблице 8.

Таблица 8 — Назначения выводов микросхемы K572ПВ

Основные электрические параметры при приемке и поставке отображены в таблице 9.

Таблица 9 — Основные электрические параметры при приемке и поставке

Предельно-допустимые параметры эксплуатации отображены в таблице 10.

Таблица 10 — Предельно-допустимые параметры эксплуатации K572ПВ

Электрическая функциональная схема представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 — Электрическая функциональная схема K572ПВ Обозначение выводов K572ПВ представлено на рисунке 10.

Рисунок 10 — Обозначение выводов K572ПВ

3.4 Микросхема К531ГГ1

Микросхема К531ГГ1 (рис.11) содержит два одинаковых автоколебательных мультивибратора, у каждого из которых имеются входы управления частотой повторения импульсов (FI1 и FI2) и входы выбора диапазона генерируемых частот (D1 и D2), инверсные входы разрешения работы (E1 и E2), а также входы СH подключения внешнего резонатора (конденсатора или пьезоэлектрического резонатора). На выходе мультивибраторов (Q1 и Q2) формируются прямоугольные импульсы напряжения типа «меандр» (скважность Q=2).

Рисунок 11 — Микросхема К531ГГ1

4. Разработка алгоритма работы микропроцессорной системы управления насосным агрегатом МПС работает в следующей последовательности:

— инициализация системы;

— опрос датчиков;

— управление насосным агрегатом;

— обмен данными с диспетчерским пунктом;

— переход ко второму пункту.

Алгоритм работы МПС отображен на рисунке 12.

Рисунок 12 — Алгоритм работы МПС

5. Разработка принципиальной схемы микропроцессорной системы управления насосным агрегатом На основе разработанной функциональной схемы и выбранной элементарной базы построена принципиальная схема, представленная в приложении А.

К МПС должна обеспечивать:

— опрос 7 аналоговых датчиков;

— сбор 8 дискретных сигналов;

— формирование 4 дискретных управляющих воздействий.

Расчет необходимого объема памяти данных производится по формуле

(1)

где и — количество аналоговых и дискретных входных сигналов соответственно; и — разрядность аналогового и дискретного сигналов.

В нашем случае и .

В итоге для хранения данных опроса датчиков необходимо

(2)

В качестве центрального блока системы выбран микроконтроллер КМ1816ВЕ51.

Для хранения данных используется встроенные 128 байт памяти программ МК. Программа будет храниться в резидентной памяти программ.

Для опроса аналоговых датчиков используется микросхема К572ПВ4. К преимуществам микросхемы относятся:

— наличие встроенного мультиплексора;

— автоматический опрос датчиков без участи микропроцессора;

— хранение результатов преобразования по каждому каналу во встроенной статической памяти.

Так как у МК нет выходов генератора, для формирования тактового сигнала используется микросхема генератора К531ГГ1.

Для организации обмена информации с диспетчерским пунктом используется встроенный в МК приемопередатчик. Однако ПП КМ1816ВЕ51 передает данные с помощью пятивольтовых логических сигналов: единица представляется уровнем напряжения от 2,4 В до 5 В, а нуль — от 0 до 0, 8 В. При передаче по каналу RS-232 нуль и единица кодируются одинаковыми по величине (от 5 до 12 В), но разными по знаку сигналами.

Поскольку для передачи по RS-232 пятивольтовые логические сигналы должны быть преобразованы в сигналы другого уровня, в МПС используется микросхема MAX202E от Maxim. Она содержат преобразователь напряжения из +5 В в ±10 В и каскады, осуществляющие преобразование логических сигналов стандартного пятивольтного уровня по стандарту RS-232. Она содержит преобразователи логического уровня для двух приемников и двух передатчиков, из которых используется только один приемопередающий канал.

К выводам XTAL1 и XTAL2 микроконтроллера DD1 подключается кварцевый резонатор ZQ1 на 12 МГц. Для более стабильного запуска выводы кварцевого резонатора соединены с общим проводом через конденсаторы С1 и С2 емкостью 21 пФ.

При подаче напряжения питания на микроконтроллер обязателен сброс микроконтроллера. С этой целью вход RST соединен с шиной питания через конденсатор С3 емкостью 6 мкФ и с общим проводом — через резистор R1 сопротивлением 100 кОм. В момент включения питания конденсатор разряжен, и вход сброса оказывается под потенциалом, близким к напряжению питания. Несмотря на снижение этого потенциала вследствие заряда С3, в течение десятка миллисекунд уровень сигнала на входе сброса остается единичным, и осуществляется корректный запуск микроконтроллера.

На вход подается логическая единица, т.к. микроконтроллер будет выполнять программу из резидентной памяти.

К линиям порта P0 МК DD1 подключены дискретные входные сигналы DDAT1-DDAT8. К линиям порта P1 подключена АЦС DA1. На линиях P1.0-P1.3 формируются дискретные управляющие воздействия DOUT1-DOUT4.

Так как аналоговые датчики, подключаемые к АЦС DA1 должны иметь выходным параметром напряжение, находящееся в диапазоне от 0 В до 2,5 В. Для преобразования токовых сигналов датчиков в сигнал напряжения используются резисторы R2-R13.

Список источников

1. http://www.rebooting.ru/hard/enginecontroller4/

2. http://www.novosoft.by/Ency/rs-232.htm

3. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Atmel/micros/avr/at90s2313.htm