Курсовая работа по телемеханики

Введение Актуальность. В настоящее время обустройство нефтяных месторождений осуществляется с применением напорных герметизированных систем сбора и подготовки скважин, основными элементами которых считаются добывающие скважины, автоматизированные групповые замерные установки (АГЗУ), дожимные насосные станции (ДНС) либо сепарационные установки с насосной откачкой, а также центральный пункт сбора и подготовки нефти (ЦППН). Элементы системы связаны между собой с помощью трубопроводов: от добывающих скважин к АГЗУ газожидкостная смесь подается по выкидным линиям диаметром 73-114 мм, дальнейшая транспортировка продукции осуществляется по коллекторам большого диаметра. Первая ступень сепарации осуществляется на ДНС, в результате газ отводится по отдельному коллектору. Земная кора вместе с полезными ископаемыми вмещает водоносные горные породы. В процессе ведения горных работ по вскрытию, подготовке и разработке месторождения в горные выработки поступает вода из этих пород. По трещинам, образующимся в массиве горных пород, в горные выработки проникают не только подземные воды, но и поверхностные. Вода также поступает из старых затопленных выработок и выработанного пространства. Магистральные нефтепродуктопроводы предназначены для транспортировки широкого ассортимента нефтепродуктов с нефтеперерабатывающих комплексов до пунктов их распределения — крупных перевалочных нефтебаз, наливных станций и распределительных нефтебаз. В связи с ростом объема и ассортимента нефтепродуктов, возникла необходимость в развитии сетей магистральных нефтепродуктопроводов. Основными задачами автоматизации процесса магистральных нефтепроводов считаются следующие: – повышение безопасности и надежности эксплуатации магистральных нефтепроводов; — оптимальное управление грузопотоками нефти по маршрутам транспортировки; — контроль и сигнализация изменения состояния технологического оборудования; — формирование и выдача отчетов и справок по транспорту нефти, работе оборудования, технологическому процессу и работе системы; — дистанционное управление работой технологического оборудования; – автоматическое включение резервных насосных агрегатов при неисправности и автоматическом отключении работавших.

1 Технологический раздел

Система телемеханики линейной части магистрального нефтепровода выполняет следующие функции: 1. Контроля: — состояние охранной сигнализации (ПКУ, узлов с запорной арматурой при необходимости); — состояние и положение запорной арматуры; — состояние средств электрохимзащиты; — прохождения скребка; – срабатывания моментных выключателей задвижек (при необходимости); — минимальная температура в ПКУ. 2. Управления: — линейными запорными устройствами; — деблокировка сигнала прохождения скребка; — освещение; 3. Измерения: — давления в трубопроводе; — защитного потенциала «труба — земля». 4. Связи: — обмен информацией с районным диспетчерским пунктом (РДП) по телемеханическим протоколам. Главная магистральная установка предназначена контроля работы оборудования, необходимую последовательность выполнения операций при управлении оборудованием и автоматическую защиту оборудования и трубопроводов. Если глубина шахты больше величины напора, создаваемого одним насосом, то используют последовательные либо многоступенчатые схемы оборудования. Вспомогательные водоотливные установки откачивают воду с отдельных горизонтов в водосборники главного оборудования. К водосборнику главного оборудования вода поступает по водоотливным канавкам либо по нагнетательным ставам вспомогательных водоотливов. Структура физической модели шахтного оборудования п Система управления должна выполнять действия: по нажатию кнопки “ПУСК” система приводиться в действие, по нажатию кнопки “СТОП” выключается. Если вода достигла аварийного уровня, система не может быть выключена. Основной насос должен включаться по срабатыванию датчика нижнего уровня и выключатся, когда вода опуститься ниже датчика нижнего уровня. Дополнительный насос должен включаться по достижению водой датчика аварийного уровня и выключаться по снижению воды ниже датчика верхнего уровня. Управление пусковыми цепями насосов думаю проще выполнить на симисторах типа ВТ1ХХ с их управлением через МОС3063.Контроль состояния насоса (работа, выкл,резерв) можно выполнить с помощью сопротивлений разных номиналов, установленных на пакетных переключателей насоса.

2 Разработка безопасных устройств согласования объектного контроллера

Серьезной проблемой при построении безопасных систем считается организация согласования микроэлектронной аппаратуры GKR с исполнительными объектами. Решение задачи организации согласования различных частей управляющего комплекса возможно следующими способами: жесткой унификацией и стандартизацией входных и выходных параметров элементов комплекса; использованием специализированных функциональных блоков, которые имеют адаптивные характеристики обработки сигналов на входах и выходах [12]. Существует много различных исполнительных объектов автоматики и телемеханики с различными характеристиками входных и выходных параметров сигналов, унифицировать которые невозможно. Поэтому чаще используют второй способ построения устройств согласования (ПУ) с объектами. Как правило, ПУ, что выпускает современная промышленность для управляющих ЭВМ, не удовлетворяют требованиям безопасности, поэтому посчитается необходимость в разработке специфических ПУ, которые бы дали возможность выполнять ответственные команды с наименьшей степенью риска. К УСО систем автоматики выдвигаются следующие основные требования: обеспечение временного и энергетического согласования электронных схем и исполнительных объектов (ВО), минимально допустимая вероятность возникновения ложного сигнала включения ПО на выходе ПУ при любых отказах его элементов, максимально допустимая чувствительность к электромагнитным помехам; стабильность временных и энергетических параметров ПУ в заданных пределах в течение всего срока эксплуатации; высокая технологичность в производстве в сочетании с низкой стоимостью. Схемные решения ПУ не должны иметь опасных отказов, то есть с определенной вероятностью должны исключать ошибочное включение исполнительных объектов на выходе согласующих устройств при любой отказе его элементов. Обычно учитываются отказа, выражающиеся в появлении следующих событий: короткого замыкания, обрыва в элементах либо соединениях; трансформации одного типа полупроводниковые элемента в другой; самовозбуждения электронных схем; кратковременного либо длительного отключения источника питания; повреждения источника питания, при котором на его шинах посчитается значительное переменная составляющая; изменения параметров элементов либо их режимов работы в установленных пределах; появления двух и более отказов элементов при соединении между точками схемы, которые не были обнаружены за время нахождения схемы в статическом состоянии. Условно ПУ можно разделить на две части: элементы вывода управляющей информации и элементы ввода контрольной информации о состоянии исполнительных объектов. В кругах автоматики и телемеханики, в которых е предъсчитаются жесткие требования безопасности, как правило, применяют стандартные ПУ, выпускаемых промышленностью. Специализированные (безопасные) ПУ разрабатываются на основе вышеперечисленных требований и методов. Схема контроля насосов относится к устройствам ввода информации. Эта информация поступает в обоих CPU объектного контроллера от ПУ который фактически представляет собой датчик тока включен в общий провод от сигнальных трансформаторов к устройствам управления насосов. Датчик тока генерирует сигнал непрерывного типа, поэтому он подключается к входам CPU которые имеют в составе аналогово-цифровой преобразователь, что позволяет в цифровой форме оценить поступающую. Таким образом, при включении режима подачи воды, что приводит к открытию транзистора оптопары, и, как следствие, на одном из входов микроконтроллера посчитается высокий потенциал (рис. 3). Датчики которые в это время будут выключены, контролируются в холодном состоянии. Каждый насос контролируется поочередно с заданным программно интервалом времени (так как датчик тока включен в общий провод, то одновременно контролировать и основную и резервную нитку нет возможности). Команда на срабатывание датчика разрешительного показания относится к ответственным. Это утверждение вытекает после анализа следующей поездной ситуации. Если во время работы контроллера начнет несанкционированно генерироваться числовой код, приведет к появлению более разрешительного показания, то может возникнуть опасная ситуация. Для того чтобы обеспечить высокую безопасность ПУ, используют элементы контроля их динамической работы. Для этих целей, как правило, применяют трансформаторную и конденсаторную гальванические развязки. Существует значительное количество вариантов аппаратной реализации устройств безопасного включения. ПБВ должны иметь двухканальную структуру, но сначала надо определиться с одноканальными схемными решениями, для того чтобы перейти к более глобальной разработки устройств вывода. Безопасное функционирование схемы при отказах обеспечивается благодаря двойному преобразованию входных импульсных сигналов — дифференцировке с помощью трансформатора к интегрированию (накоплению) с помощью диода и конденсатора. [12] Для включения объекта управления (ОУ), то есть для достижения напряжения срабатывания, необходимо поступление от микроконтроллера на вход схемы серии импульсов. За счет этого на первичной обмотке возникает пульсирующее напряжение, что создает условия для появления переменной ЭДС во вторичной обмотке и, как следствие, срабатывания ОК. Главная особенность данной схемы, дает право называть ее безопасной, в том, что при отказе транзистора VT1, а именно его пробой, не произойдет несанкционированное включение ОК, поскольку постоянная напряжение будет трансформироваться во вторичную обмотку. Несмотря на простой принцип работы схемы, она имеет значительный недостаток, связанный с использованием трансформатора, занимает значительное место на плате. Для уменьшения размеров трансформатора необходимо увеличивать частоту импульсов в повестку 15-20кГц, но такой шаг будет создавать встречную проблему — увеличение использования ресурсов микроконтроллера. Во время высокого потенциала на входе схемы заряжается конденсатор С1 за счет открытого транзистора VT1 закрытого VT2. При поступлении интервала комплиментарная пара меняет свое состояние на противоположное, что создает условия для разрядки энергии конденсатора С1 на ОК и конденсатор С2. Таким образом в штатном режиме работает объект управления. Несанкционированное включение ОК может произойти только при отказе сразу четырех элементов конденсаторной ПУ, а именно: коротком замыкании VT1, коротком замыкании С1, обрыве VD1 и коротком замыкании VD2. Такое событие очень мало вероятна, поэтому данная схема имеет высокие показатели безопасности. Ресурс контроллера используется в меньшей степени, чем в трансформаторных ПУ, потому конденсаторная схема стабильно работает при частоте импульсов 400-500 Гц. Для МК-СВ эта схема полностью подходит для нужд безопасного согласования микропроцессорной техники с релейной. Теперь, после выбора типа одноканального ПУ, необходимо перейти к разработке двухканальной структуры. Предлагается следующая структура (рис.6), где ПУ1, что руководствуется первым CPU, формирует питающее напряжение, а ПУ2 дает разрешение на управление объектами, который в свою очередь воспринимает управляющие сигналы от второго CPU. Модуль вывода также должен иметь в своем составе мостовой преобразователь постоянного напряжения 300 В в переменное 220 В. Преобразователь представляет собой набор силовых ключей, которыми программно управляют драйверы, которыми в свою очередь управляет микроконтроллер первого канала (CPU1). Однако, работа преобразователей (формирование выходного напряжения) возможна только при наличии разрешения со стороны второго канала. Специализация выводов драйвера: HIN — логический вход управления выходом драйвера верхнего уровня (HO), в фазе; LIN — логический вход управления выходом драйвера нижнего уровня (LO), в противофазе; НО — выход драйвера верхнего уровня; LO — выход драйвера нижнего уровня; VB — напряжение питания ключей верхнего уровня; VS — обратное напряжение питания верхнего уровня; VCC — напряжение питания ключей нижнего уровня; COM — звортня напряжение питания нижнего уровня. Для построения мостового преобразователя необходимо 2 драйверы и 4 ключи (ключи представляют собой МОП транзисторы). На основе принципа функционирования одноканальной конденсаторной схемы ПУ, а также опираясь на структурную схему модуля вывода можно реализовать такую принципиальную схему согласования по выходу (приложение Г). Для того, чтобы на управляющих входах драйверов силовых ключей появилась напряжение (логическая «1») необходимо наличие импульсной последовательности от обоих CPU. Когда CPU 2 начинает формировать последовательность импульсов создаются условия для открытия транзисторов оптронов VE4 (управляет основной нитью) и VE5 (управляет резервной ниткой), но они будут оставаться в закрытом состоянии до тех пор, пока CPU 1 не начнет формировать последовательность импульсов, с помощью чего откроется транзистор оптрона VE1 либо VE2, только в таком случае создадутся условия для протекания тока через диоды оптронов VE4 либо VE5, что позволит управлять драйверами силовых ключей. В штатном режиме, когда исправны все элементы контроллера и исправны оба насоса, управляющий сигнал на входы драйверов поступает через транзистор оптрона VE4, создаются условия для протекания тока через базу и эмиттер транзисторов VT3 т а VT4, это способствует открыванию этих транзисторов и протеканию тока через коллектор и эмиттер. В это время транзисторы VT5 и VT6 закрыты, так как СPU 1 формирует последовательность импульсов с выхода что отвечает только за основную нить, следовательно транзистор оптрона VЕ5 будет закрыт и условий для протекания тока через переход база эмиттер транзисторов VT5 и VT6 отсутствуют. Благодаря такому включению транзисторов VT3, VT4, VT5 и VT6 возможно управлять двумя драйверами одновременно (в данном случае, тем, что отвечает за основную нить и тем, что отвечает за обратную проволока). В свою очередь каждый драйвер управляет двумя силовыми ключами (МОТ транзисторами), в зависимости от фазы сигнала открывает поочередно ключ верхнего уровня (в фазе) и ключ нижнего уровня (в противофазе).

3 Технический раздел

1. Описание логики алгоритма Алгоритм управления дозирующим устройством входит в состав АСУ ТП РХЗ. Алгоритм работает в циклическом режиме и включает следующие модули: — расчет частоты вращения двигателя; — обеспечение необходимого расхода воды; — поддержание воды в заданном пределе; 2. Точность вычисления Точность производимых вычислений по формулам раздела 4 должна соответствовать операциям с плавающей точкой формата «float32». 3. Связи между частями и операциями алгоритма На рисунке 7 представлена обобщенная схема алгоритма управления насосами. Управляя одновременно двумя такими драйверами можно получить из постоянного напряжения +->- 300В — переменную (в фазе сигнала ток протекает в одном направлении, в противофазе — в другом), это напряжение подается на обмотку сигнального трансформатора, к которому подключена, а именно основной сигнал. В случае если основная нить перегорает, то резервная включается аналогично, только последовательность импульсов будет поступать уже от второго выхода СPU 1, и задействованы транзисторы VT5, VT6 и драйвер, отвечающий за резервный сигнал. Следующим шагом включается модуль управления ШД, который по сигналу с контроллера задает частоту и направление вращения ШД. Как уже было отмечено, основное отличие микропроцессорной техники релейной в том, что управление системой осуществляется не с помощью жесткой логики, а с использованием программного кода, намного рациональнее с материальной точки зрения. Общий алгоритм функционирования контроллера всегда начинается со старта программы, в этот момент должна быть выполнена команда «RESET», при выполнении которой ряд регистров внутренней структуры контроллера (таймеры и счетчики, регистры обнуление, программные счетчики) принудительно обнуляются. Для правильного функционирования контроллера необходимо, чтобы команда «RESET» была снята после того как закончатся переходные процессы связанные с включением питания схемы CPU. Когда работа насоса закончилась, открываются клапаны подачи исходной воды. Далее алгоритм циклично запускается на следующем такте работы системы.

4 Расчетный раздел

Основные узлы принципиальной схемы взаимодействуют между собой следующим образом. Контроллеры связи, выполняют функцию программного мажорування (принята от ЭВМ команда будет передана объектном контроллеру, если в течение определенного времени (периода мажорування) в адрес этого МК-СВ поступили одинаковые команды не менее чем от двух ЭВМ зависимостей из трех) считаются промежуточным звеном между линией связи и СPU, они обеспечивают передачу команд от ЭВМ зависимостей к CPU, и передачу контрольной информации от CPU к серверам. На выводы VCC1 и VCC2 трансивером ISO1050 подается питание +5 В от различных гальванически развязанных источников, относительно земли, GNG1 и GNG2. Выводы CANH и CANL в принципе и формируют шину в которой создается дифференциальная разница напряжений. А с противоположной стороны на выводах RXD и TXD посчитается уже просто высокий либо низкий потенциал, соответствующий логической «1» и логическому «0», так как только такой «язык» понимает CPU. преобразования сan протокола в другой, запроектирован в микроконтроллере (SPI) выполняет контроллер сan, который реализован автономно вне CPU (рис. 22). На выводах TXCAN, RXCAN реализуется CAN протокол, а сигналы выводов CS, SO, SI и SCK обеспечивают реализацию протокола SPI. Передача происходит в полнодуплексном режиме. Учитывая, что к одному процессора подключаются две линии связи, соответственно, и две микросхемы MCP2515, то решением проблемы станет использование входа CS в каждом CAN контроллере. То есть выдача низкого потенциала на этот вход активирует обмен данными между главным и подчиненным узлами. Таким образом устраняются коллизии при приеме данных от серверов. Принятые данные от серверов через контроллеры связи передаются в CPU1 и CPU2, которые выполняют все логические операции (прием, анализ и выполнение команд, формирование сообщений о состоянии МК-СВ), управления индикацией, обработку сигналов от схемы контроля исправности насосов, контроль напряжения в силовой цепи объектных контроллеров АСУТП ЖБИ, формирования и управления передачей диагностических сообщений о состоянии МК-СВ. CPU1 и СPU2 обмениваются между собой данными с помощью универсального асинхронного приемо-передатчика (UART), который выполнен с помощью соединения выводов TXD -> PCINT1 (PE1) СPU1 и СPU2, чем обеспечивается передача информации от первого микроконтроллера ко второму с выводами RXD -> PCINT2 (PE2), чем обеспечивается прием соответствующей передаваемой информации (рис. 8). Необходимость данного устройства заключается в следующем. При передаче команды на включение датчика на АСУТП ЖБИ запрещающего показания, эта команда должна приниматься всеми контроллерами связи и передаваться в СPU1 и CPU2 после чего первый микроконтроллер начинает формировать команду на включение разрешительного показания, приводит к отключению запретного, после чего CPU2 формирует разрешающий сигнал на включение соответствующего показания. Но если один из микроконтроллеров пропустит несколько строк команды либо команду в целом, а другой ее получит, и будет ее выполнять, это приведет к отключению предыдущего показания на датчике, а следующее (предусмотрено командой) показания на индикаторе не включается. Чтобы этого не происходило и нужен UART, благодаря ему микроконтроллеры могут связаться между собой, и если один из них пропустил команду, то другой также не будет ее выполнять до того момента времени пока первый ее не получит. Также организован таким образом связь между CPU дает возможность анализировать микроконтроллерам работу друг друга, и если одним из них будут обнаружены сбои в функционировании другого, то первый имеет возможность заблокировать второй с помощью команды «RESET». Как было отмечено выше CPU1 формирует сигнал на включение основной либо резервной нитки соответствующего насоса, а CPU2 формирует сигнал разрешения на включение этого огня (рис. 10). Сигнал для управления огнями считается широтно-импульсно модулированным (ШИМ). Это импульсный сигнал постоянной частоты с переменной скважностью (длительностью импульсов). Всего за помощью ШИМ сигнала руководствуются драйверы верхних и нижних ключей (IR2108), которые в зависимости от продолжительности управляющих импульсов, открывают и закрывают поочередно ключи (МОП транзисторы), создавая напряжение переменного тока, которая уже подается на первичную обмотку сигнального трансформатора СТ-5, в результате чего во вторичной обмотке приводится ЭДС. Но, как известно, команда на включение сигнала содержит в себе информацию о режиме датчика («подача воды» -> «работа насоса» либо двойное снижение напряжения (ГСН)). Чтобы организовать возможность выполнения этих режимов, нужно подавать на первичную обмотку напряжение переменного тока амплитуда которой должна соответствовать этим режимам, а именно: Uд = 220 В — режим день, Uн = 180 В — режим «подача воды», Uдсн = 110 В — режим ГСН. ШИМ сигнал позволяет изменять уровни выходного напряжения посредством изменения длительности импульсов. Именно сложность обеспечения произвольной напряжением и считается основной причиной внедрения ШИМ. Так что перед написанием программы для контроллера, надо определиться со скважностью управляющих импульсовт опасная ситуация, ведь может возникнуть ситуация, что в некоторый момент времени оба ключа будут открытыми, что приведет к выходу их из строя. Поэтому драйверы для управления силовыми ключами имеют внутренне запрограммированное время задержки при переключении, так называемый «deadtime» когда оба ключа закрыты. Для драйвера IR2108 это время составляет td = 5 мкс. Для организации режима подачи воды, напряжение на первичной обмотке сигнального трансформатора должна равняться 220 В. Так что для расчета длительности импульсов ШИМ сигнала в режиме подачи воды принимаем значение Uo = Uд = 220 В. При этом tи равна: Учитывая, что нижний силовой ключ, который руководствуется драйвером, находится в открытом состоянии во время второго импульса (в противофазе), то после интервала формируется задержка 5 мкс на открытие ключа. Это время на задержку открытия либо закрытия силовых ключей не влияет на структуру самого ШИМ сигнала (рисунок 2.20), но не существенно влияет на структуру сигнала сформированного с помощью мостового инвертора (рисунок 27). Итак установив длительность импульсов равной tи = 0,00676 с, и при напряжении питания первичной обмотки сигнального трансформатора Uпит = 325 В, после трансформации, на вторичной обмотке будет получена напряжения переменного тока равной U = 220 В (рис. 28). Аналогичный расчет длительности импульсов ШИМ сигнала ведется для режимов «подача воды» (Uo = Uн = 180 В) и режима «ГСН» (Uo = Uдсн = 110 В). В режиме «подача воды» tи равна:Анализируя амплитудное значение напряжения, СPU1 и CPU2 принимают решение об исправности либо обрыв нитей лам. При напряжении Uк = 6.4 В, транзисторы оптронов VE1 и VE2 открываются, и в соответствии с аналоговых входов микроконтроллеров первого и второго каналов поступает информация об исправности насосов. Минимальное значение напряжения при котором транзисторы соответствующих оптопар откроются 1.4 В, то есть при напряжении Un = 1 5 Разработка программы функционирования контроллера Как уже было отмечено, основное отличие микропроцессорной техники релейной в том, что управление системой осуществляется не с помощью жесткой логики, а с использованием программного кода, намного рациональнее с материальной точки зрения. В первую очередь надо определить структуру и язык программирования. Микрочипы ATMega поддерживают два языка программирования: Assembler и СИ. Каждая из этих языков программирования имеют свои преимущества и недостатки, поэтому выбор конкретного зависит только от желания разработчика. В данном дипломном проекте для написания фрагмента программы функционирования МК-СВ выбран язык Assembler. Как правило, программный код имеет следующую структуру: — макросы и макроопределения; — сегмент RAM; — точка входа — ORG 0000; — таблица векторов и вектора, ведущие в секцию обработчиков прерываний; — обработчики прерываний; — инициализация памяти — инициализация стека — инициализация внутренней периферии: программирование и запуск в работу любых таймеров, интерфейсов, выставленные портов ввода-вывода в нужные уровне. Разрешение прерываний; — инициализация внешней периферии: инициализация дисплеев, внешней памяти, различных аппаратных примочек, которые подключены к микроконтроллера извне. — запуск фоновых процессов — процессы работают непрерывно, независимо от условий. Такие как сканирование клавиатуры, обновления экрана и так далее; — главный цикл: определение всей управляющей логики программы; — сегмент EEPROM. Программа функционирования включает в себя большое количество подпрограмм (инициализацию и настройку портов ввода -> вывода, контроллеров связи и другие), включая основную, с помощью которой происходит управление дозатором распределения воды АСУТП ЖБИ. В этом разделе выполнено разработки фрагмента программы функционирования дозатора распределения воды АСУТП ЖБИ. Этот фрагмент представляет собой подпрограмму инициализации и настройки контроллеров связи. Данный этап очень важен в процессе функционирования контроллера, так как контроллеры связи считаются промежуточным звеном между линией связи, и CPU. Они согласовывают объектный контроллер с серверами, то есть принимают команды поступающие от ЭВМ зависимостей, и после преобразования CAN протокола в SPI, передают в центральных процессоров. Выводы С развитием систем автоматизации и переходом на микропроцессорные системы автоматизации должны решаться задачи мониторинга значений технологических параметров и параметров состояния технологического оборудования, анализа режимов работы технологического оборудования в реальном масштабе времени. Крупнейшие трубопроводные фирмы нашей страны, такие как ОАО «АК Транснефть» и ОАО «АК Транснефтепродукт», а также зарубежные компании, включая Exxon, Shell, Conoco, Shevron, Texas Eastern, Tenneco, Nova, Trans Canada, Interprovencial Pipe Line Company заняты решением данных проблем. Зарубежные трубопроводные компании уже на предварительной стадии используют специальные компьютерные программы, которые определяют приоритеты обслуживания различных участков трубопроводов, дают оценку вероятности разрушения трубопроводов.