Проектирование микропроцессорной системы контроля параметров горизонтального отстойника

схема.dwg

Article No.Reference
Cхема принципиальная электрическая
Микропроцессорная система контроля

Пояснительная.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Кибернетических систем
направление 220201 «Управление и информатика в технических системах»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
по дисциплине: «Проектирование микропроцессорных систем автоматизации»
на тему: «Проектирование микропроцессорной системы контроля параметров горизонтального отстойника»
Задание на курсовую работу
Разработать структурную и принципиальную схемы микропроцессорной системы контроля на основе микроконтроллера фирмы Atmel. Предусмотреть 3 канала управления.
Пояснительная записка содержит 16 страниц машинописного текста 3 приложения 3 рисунка 1 таблицу и список использованных источников из 7-ми наименований.
ОТСТОЙНИК ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ МИКРОКОНТРОЛЛЕР ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ИНТЕРФЕЙС АНАЛОГО-ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ.
Объектом является отстойник горизонтальный.
Цель работы: разработать структурную и принципиальную схемы микропроцессорной системы управления на микроконтроллере AT89C2051.
В результате работы разработаны принципиальная и структурная схемы? блок-схема алгоритма работы и программа вышеназванной микропроцессорной системы.
Отстойник горизонтальный7
Измерительные приборы9
Проектирование микропроцессорной системы11
1Структурная схема системы11
2Проектирования принципиальной схемы системы11
3Проектирования блок-схемы и кода программы13
4Расчет потребляемой мощности14
Список использованных источников16
При изучении специализированных МП систем рассматриваются приемы проектирования как аппаратных так и программных средств. 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 МП систем для составления программы (часто с использованием языков низкого уровня - языка кодовых комбинаций языка Ассемблера) а также умения использовать средства отладки программ.
Основой МП системы является микропроцессор - интегральная схема (ИС) обладающая такой же производительностью при переработке информации что и большая ЭВМ. Более точно - это программно управляемое устройство осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление им построенное как правило на одной или нескольких БИС. Сегодня микропроцессорная техника - индустриальная отрасль со своей методологией и средствами проектирования.
Микропроцессорные БИС относятся к новому классу микросхем одной из особенностей которого является возможность программного управления работой БИС с помощью определенного набора команд. Эта особенность нашла отражение в программно-аппаратном принципе построения микропроцессорных систем (МС) - цифровых устройств или систем обработки данных контроля и управления построенных на базе одного или нескольких микропроцессоров (МП) [1].
Особую группу МС с программным управлением образуют микроЭВМ с хранимым в постоянной памяти прикладным программным обеспечением. Такие системы встраиваемые в аппаратуру потребителя и предназначенные для управления ею в реальном масштабе времени называются программируемыми микроконтроллерами. В настоящее время существует достаточно большое количество микроконтроллеров которые позволяют производить сбор контроль и управление одним или несколькими параметрами какого-либо процесса при лабораторных исследованиях в промышленном производстве и на других объектах.
Отстойник горизонтальный
Отстойник горизонтальный (ОГ) предназначен для разделения нефтяной эмульсии на основные компоненты (нефть газ и пластовую воду) нагревом и выдержкой в течение определенного времени при непрерывном технологическом процессе работы.
ОГ представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Отстойник горизонтальный
Водогазонефтяная эмульсия подается в отстойник через штуцер поз. 6 подогретой или естественной температуры а также с реагентом-деэмульсатором или без него в зависимости от физико-химических свойств нефти и поступает в распределитель поз. 6 расположенный в верхней части сепарационного отсека отстойника.
Через щелевые прорезки из распределителя обводненная нефть поступает на сливные полки поз. 10 и по стенкам стекает в нижнюю
часть аппарата. При этом из обводненной нефти выделяется часть газа находившаяся в ней как в свободном так и растворенном состоянии. Выделившийся газ проходит через сепаратор поз. 7 где от него отделяются увлеченные капельки нефти и через штуцер поз. 4 сбрасывается в сборную сеть.
Дегазированная нефть из сепарационного отсека поступает в два коллектора поз. 25 находящиеся в отстойном отсеке и расположенные по его длине. Над коллекторами находятся распределители эмульсии поз. 26 имеющие коробчатую форму. Из коллекторов нефть поступает в коробчатые распределители под уровень пластовой воды в отсеке. При этом происходит промывка эмульсионной нефти через слой пластовой воды и выпадение капель воды в нижнюю часть аппарата. Обезвоженная нефть поступает в сборники поз. 15 расположенные в верхней части отстойного отсека и через штуцер выводится из аппарата.
Отделяющаяся от нефти пластовая вода через переливное устройство поз. 20 поступает в правую часть отстойника и через штуцер поз. 19 сбрасывается в систему подготовки промысловых сточных вод.
Горизонтальный отстойник ОГ-200С оснащен регуляторами межфазных уровней предохранительными клапанами приборами контроля параметров технологического процесса устройством очистки от отложений [2].
Измерительные приборы
Датчик для измерения избыточного давления МЕТРАН-100-ДИ предназначен для преобразования избыточного давления на входе и выходе насосных агрегатов и давления в технологических аппаратах в стандартный токовый сигнал дистанционной передачи.
Датчик обеспечивает:
непрерывную самодиагностику;
возможность простой настройки параметров двумя кнопками;
измеряемые среды: жидкость пар газ (в т.ч. газообразный кислород).
диапазон перенастройки 10:1;
встроенный фильтр радиопомех;
микропроцессорная электроника;
простота конструкции надежность малые габариты невысокая стоимость обеспечивают повышенный спрос потребителей;
диапазон измеряемых давлений: - минимальный 0-006 МПа; - максимальный 0-100 МПа;
выходной сигнал 4-20 0-5 0-20 мА;
температура окружающего воздуха: -40 70°С;
исполнения: - обыкновенное; - кислородное; - взрывозащищенное (E
степень защиты от воздействия пыли и воды: - IP55 - IP65 - для датчиков МП [3].
Регулирование параметров осуществляется путем автоматического открытия и закрытия регулирующих органов по сигналам управляющих устройств.
Принцип действия устройства основан на изменении пропускной способности регулирующего клапана в соответствии с входным электрическим сигналом. Поступающий на электродвигатель электрический командный сигнал посредством редуктора и прямоходной приставки исполнительного механизма преобразуется в возвратно-поступательное движение штока клапана.положения штока влечет за собой изменение расхода жидкости или газа через регулирующий клапан.
УБЭ-М-Ех (уровнемер буйковый электрический модернизированный взрывозащищенный) предназначенный для работы в системах автоматического контроля регулирования и управления технологическими процессами в нефтяной и газовой промышленности. Обеспечивает преобразование измеряемого параметра уровня жидкости или границы раздела двух фаз в стандартный токовый сигнал дистанционной передачи (0-5 А 0-20 А 4-20 А).
При изменении измеряемого уровня происходит изменение гидростатической выталкивающей силы действующей на буек. Это изменение через рычаг передается индуктивный преобразователь расположенный в измерительном блоке где линейно преобразует выходной токовый сигнал. Данный преобразователь питается от БПД-40.
Температура контролируемой среды от -50 до 20 °С.
Класс точности – 05 10.
Проектирование микропроцессорной системы
1Структурная схема системы
Структурная схема системы представлена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Структурная схема системы
Микропроцессорная система состоит из следующих блоков: микроконтроллера (МК) параллельного программируемого интерфейса (ППИ) аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
МК формирует шину адреса (ША) и шину данных (ШД).
ППИ предназначен для подключения внешних устройств.
АЦП предназначен для преобразования аналогового сигнала с датчиков в цифровой код.
ЦАП предназначен для преобразования цифрового кода управления в аналоговый сигнал.
Программа и данные хранятся в резидентной памяти контроллера.
2Проектирования принципиальной схемы системы
Принципиальная схема системы представлена в приложении А.
Центральным блоком системы является микроконтроллер DD1 AT89C2051.
Данный микроконтроллер имеет ПЗУ объемом 2 Кбайта и ОЗУ объемом 256 байт [4].
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 [5].
К порту Р1 подключены микросхемы программируемого параллельного интерфейса (ППИ) DD2 и аналого-цифровой системы (АЦС) DA7.
К ППИ DD2 подключены ЦАП DA1 DA2 и DA3. Выбор порта производится с помощью линий А0-А1.
Опрос аналоговых датчиков осуществляется с помощью аналогово-цифровой системы (АЦС) DA7 со встроенным мультиплексором. Данная система самостоятельно опрашивает датчики подключенные к входам AIN0-AIN2 преобразует их показания в цифровой код и записывает полученные значения во встроенную память. Микроконтроллер DD1 затем считывает эти данные. Выбор ячейки памяти АЦС осуществляется с помощью линий А0-А1 [6].
Аналоговые датчики подключаемые к аналого-цифровой системе DA7 должны иметь выходным параметром напряжение. Для преобразования токовых сигналов датчиков в сигнал напряжения используются резисторы R2-R4.
Для АЦП-преобразования необходим тактовый сигнал который формируется генератором DD3. Частота генератора задается емкостью конденсатора C5.
Для формирования аналогового управления выбраны микросхемы цифро-аналогового преобразователя К572ПА1 (DA1 DA2 и DA3) которые преобразуют код в ток на аналоговом выходе. Для работы в режиме с выходом по напряжению к ЦАП подключаются внешний источник опорного напряжения Uref2 и операционный усилитель 1407УД1 (DA4 DA5 и DA6) с целью создания отрицательной обратной связи работающей в режиме суммирования токов.
3Проектирования блок-схемы и кода программы
Программа хранится в ПЗУ. Алгоритм представлен на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Блок-схема алгоритма работы основной программы
4Расчет потребляемой мощности
Мощность потребляемая всей системой определяется как сумма мощностей которые потребляют все части системы [7].
Расчет мощности сведен в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 – Расчет потребляемой мощности
Мощность потребляемая одной микросхемой Вт
Параллельный программируемый интерфейс
Аналого-цифровая система
Цифро-аналоговый преобразователь
Система потребляет мощность .
В результате работы была разработана микропроцессорная система контроля параметров отстойника горизонтального на основе микроконтроллера AT89C2051 которая контролирует давление уровень нефти и уровень воды.
Список использованных источников
Апокин И. А. Майстров Л. Е. Развитие вычислительных машин. – М.: Наука 1974.
Федорков Б. Г. Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование параметры применение. – М.: Энергоиздат 1990.-320 с.: ил.
Интегральные микросхемы: Справочник. Под ред. Тарабрина Б.В. - М.: Радио и связь 1983. - 120с.
Принципиальная схема микропроцессорной системы контроля
Рисунок А.1 – Принципиальная схема микропроцессорной системы контроля
Таблица А.1 - Фрагмент программы
Выбор регистра управляющего слова ППИ
Запись слова инициализации ППИ
Спецификация элементов
Таблица Б.1 – Цифровые микросхемы
Позиционное обозначение