 |
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.
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: 
.
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 [8].
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 регистр- аккумулятор, 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 семействуmega AVR, где самым подходящим (т.е. обладающий всеми перечисленными свойствами) является микроконтроллер ATmega 16.
Перечислим его основные свойства:
· память программ 16 Кб (10000 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 [8].
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.
|
|
|
