Содержание
ВВЕДЕНИЕ 2
1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 4
1.1.Характеристика технического объекта……………………………………4
1.2. Расчёт параметровнастройки регулятора………………………………..5
2. ВЫБОР ДАТЧИКОВ ИИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 7
2.1. Датчик влажности воздуха…………………………………………….…..7
2.2. Датчик расхода воды на распыление…………………………………….11
2.3. Исполнительный механизм……………………………………………….13
3. РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ 15
3.1. Разрядности АЦП и ЦАП………………………………………………… 15
3.2. Трансформированная погрешность………………………………………16
3.3. Инструментальная погрешность…………………………………………. 16
4. ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА 18
5. ВЫБОР БАЗОВОГО КОМПЛЕКСА 22
5.1. Микроконтроллер………………………………………………………… 22
5.2. Аналого-цифровой преобразователь…………………………………… 24
5.3. Цифро-аналоговый преобразователь………………………………….... 26
6. СТРУКТУРА АСУТП 28
6.1. Назначение системы……………………………………………………… 28
6.2. Архитектура системы………………….………………………………….28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 31
ВВЕДЕНИЕ.
Скаждым годом в тепличных предприятиях все большее внимание уделяетсякачественному поддержанию микроклимата. Правильно выбранная технологияподдержания микроклимата — одна из важнейших составляющих, позволяющих повыситьурожайность. А эффективное использование энергоресурсов — дополнительнаявозможность существенно уменьшить себестоимость производимой продукции.Современная автоматизированная система управления микроклиматом должнаподдерживать не только заданный режим, но и максимально эффективно использоватьвозможности исполнительных систем.
Внастоящее время ведется активная модернизация теплиц, связанная с повышениемколичества исполнительных систем: разделение контуров, модернизация форточнойвентиляции, установка систем зашторивания, установка вентиляторов. И чем большеисполнительных систем имеет теплица, тем важнее для нее выбор критерия,определяющего стратегию поддержания микроклимата. Например, одним из наиболеепопулярных критериев управления является экономия теплоресурсов. В данномслучае целесообразнее активно использовать нижние контура обогрева, т.к. онименьше всего отдают тепла внешней среде. Другой подход к выбору критерияпредполагает поддержание температуры у точки роста выше, чем у корней растенияи тем самым подразумевает активное использование верхних контуров обогрева. Ещеодин критерий управления основывается на том, что нижний контур долженподдерживать в корневой зоне постоянную температуру, так называемый оптимум, илишь при исчерпанных ресурсах других исполнительных систем отклоняться от него.
Опытвнедрения автоматизированных систем управления показывает, что на этапепроектирования системы достаточно сложно выбрать единый критерий управления.Поэтому в системе управления должна существовать возможность оперативно задатькритерий во время эксплуатации, причем методы его задания должны в нагляднойформе отражать агрономические, экономические и технические требования,предъявляемые к системе. Таким образом, современная система управления должнапозволять задать не только один из вышеперечисленных критериев управления илиих комбинацию, но и любой другой возникающий в процессе производства,предоставляя агроному-технологу широкие возможности в выборе метода поддержаниятемпературно-влажностного режима в теплице.
Однойиз основных характеристик системы управления является ее надежность. Поэтому вкачестве аппаратно-технической базы системы был выбран контроллер, которыйсодержит современные средства защиты от сбоев: копию основных параметров работысистемы в энергонезависимой памяти, средство защиты от зависаний и т.д. Помимоконтроллера автоматизированная система управления микроклиматом включает в себянабор датчиков для измерения параметров внутри теплицы. Для передачиуправляющих воздействий на исполнительные механизмы система включает в себяблок релейной коммутации с возможностью ручного управления.
Важнымэлементом системы управления является диагностика неисправностей и возможностейсистемы управления. Иногда в процессе эксплуатации случаются непредвиденныеситуации, связанные с нестабильностью температуры подаваемой воды, повышеннымизносом и люфтом исполнительного механизма или связанные с другого родаограничениями, накладываемыми на исполнительные системы. Заложенные в системуметоды диагностики должны выявлять нестандартные ситуации и своевременноперестраивать алгоритмы управления, поддерживая при этом параметры микроклиматас минимально возможным отклонением. При невозможности разрешения ситуации безучастия человека, система выдает соответствующее аварийное сообщение.
1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
1.1.Характеристикатехнического объекта
Выращивание сельхозпродукции втепличных условиях требует поддержания микроклимата в теплице, к основнымпараметрам которого относятся:
· Температура и влажность воздуха в теплице;
· Температура и влажность почвы.
Числовые значения всехперечисленных выше параметров определяются типом выращиваемой культуры. Вчастности, для земляники, в зависимости от фазы диапазон изменения влажностивоздуха составляет 65 – 80%. При этом точность поддержания заданной влажностидолжна составлять ±3%. Кроме регулирования система должна предусматриватьконтроль расхода воды на распыление.
/>
Рис.1. Структурнаясхема ОУ.
Передаточная функция ОУопределяется следующим выражением:
/>
где />.
Y1(t)– сигнал с датчика для регулируемой переменной ОУ;
Y2(t)– сигнал с датчика по каналу контроля.
1.2. Расчётпараметров настройки регулятора
Исходя из особенностей разрабатываемой системы, к которойпредъявляется требование повышенной точности отработки заданных воздействий,регулятор должен реализовать пропорционально-интегральный закон управления.Параметры ПИ-регулятора определяются требованиями к качеству переходногопроцесса:
· нулевая статическаяошибка;
· величинаперерегулирования не более 5%;
· длительностьпереходного процесса не более постоянной времени ОУ.
С помощью моделирования системы в пакете Simulink определяем параметры настройки регулятора.
/>
Рис.2. Схема модели цифровой системы.
/>
Рис.3. Графикисигнала рассогласования /> управляющеговоздействия /> и регулируемой переменной />для случая входноговоздействия в виде скачка /> .
Таблица параметров дискретного ПИД регулятора.
Параметр
Значение
/> 0,3
/> 560
2. ВЫБОР ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХУСТРОЙСТВ
2.1. Датчик влажности воздуха
По требуемой точности измерения,которая определяется точностью поддержания влажности /> и коэффициентом />:
/>
и заданному диапазону изменения регулируемой переменнойвыбираем датчик HIH-3602-L фирмы Honeywell.
/> /> />
Рис.4. Внешний вид датчикавлажности.
Датчики этой серии предназначены для использования вмногоканальных автоматизированных системах контроля параметровмикроклимата на базе ПЭВМ, которые осуществляют непрерывные круглосуточные измерения относительной влажностивоздуха и поддержание заданных режимов.
/>В настоящее время на практикедля измерения относительной влажности применяется несколько технологий,использующих свойство различных структур изменять свои физические параметры(емкость, сопротивление, проводимость и температуру) в зависимости от степенинасыщения водяным паром. Каждой из этих технологий свойственны определенныедостоинства и недостатки (точность, долговременная стабильность, времяпреобразования и т.д.).
Средивсех типов емкостные датчики, благодаря полному диапазону измерения, высокойточности и температурной стабильности, получили наибольшее распространение, какдля измерения влажности окружающего воздуха, так и применения впроизводственных процессах.
КомпанияHoneywell производит семейство емкостных датчиков влажности, применяя методмногослойной структуры (рис.5), образуемой двумя плоскими платиновымиобкладками и диэлектрическим термореактивным полимером, заполняющимпространство между ними. Термореактивный полимер, по сравнению стермореактивной пластмассой, обеспечивает датчику более широкий диапазон рабочихтемператур и высокую химическую стойкость к таким агрессивным жидкостям и ихпарам, как изопропил, бензин, толуол и аммиак. В дополнение к этому датчики наоснове термореактивного полимера имеют самый большой срок службы вэтиленоксидных стерилизационных процессах.
Характеристика
Величина Активный материал термореактивный полимер Подложка керамическая или кремниевая Изменяющийся параметр ёмкость Измеряемый параметр % RH Диапазон измерения 0…100% RH Точность ±1…±5% Гистерезис 1,2% Линейность ±1% Время отклика 5…60 сек Диапазон рабочих температур
-40…+1850С Температурный эффект
-0,0022% RH/0С Долговременная стабильность ±1% RH/5 лет Стойкость к загрязнению отличная Стойкость к конденсату отличная
В процессе работы водяной пар проникает черезверхнюю пористую обкладку конденсатора (рис.5) и уравновешивается с окружающимгазом. Одновременно эта обкладка защищает электрические процессы, протекающие вполимерном слое, от внешних физических воздействий (света и электромагнитногоизлучения). Слой полимера, покрывающий пористый платиновый электрод сверху,служит защитой конденсатора от пыли, грязи и масел. Такая мощная фильтрационнаясистема, с одной стороны, обеспечивает датчику длительную бесперебойную работув условиях сильной загрязненности окружающей среды, с другой — снижает времяотклика.
Выходной сигнал абсорбционного датчикавлажности представляет собой функцию от температуры и влажности, поэтому дляполучения высокой точности измерения в широком диапазоне рабочих температуртребуется температурная компенсация характеристики преобразования. Компенсацияособенно необходима, когда датчик используется в индустриальном оборудованиидля измерения влажности и точки росы.
/>
Рис.5. Метод многослойной структуры, применяемый приизготовлении датчиков влажности
Датчикивлажности Honeywell — это интегрированные приборы. Помимо чувствительногоэлемента, на той же подложке расположена схема обработки сигнала, котораяобеспечивает преобразование сигнала, его усиление и линеаризацию. Выходнойсигнал датчика Honeywell является функцией от напряжения питания, окружающейтемпературы и влажности. Чем выше напряжение питание, тем больше размахвыходного сигнала и, соответственно, чувствительность. Связь же междуизмеренной датчиком влажностью, истинной влажностью и температурой показана наобъемной диаграмме (рис.6).
/>
Рис.6. Связь между измеренной датчиком влажностью, истинной
влажностьюи температурой
Оналегко аппроксимируется с помощью комбинации двух выражений:
1. Прямая наилучшего соответствия при 25 °C (жирная линия на диаграмме),описывается выражением Uвых = Uпит(0,0062 · (%RH25)+ 0,16). Из этого уравнения определяется процент RH25 притемпературе 25 °C.
2. Далее производится температурная коррекция и вычисляется истинноезначение RH: RHистинная = (%RH25) · (1,0546 — 0,00216T), где T измеряется в °C.
Выражениявыше соответствуют характеристикам реальных датчиков со следующимиотклонениями:
/> – для />
/> – для />
/> – для />
/>
Рис.7. Характеристики преобразования датчика влажностиHoneywell
при различных температурах
Модели HIH-3602-L и HIH-3602-L-CP выполнены вкорпусе TO-39 со щелевым отверстием. Они предлагают оптимальное соотношениецена/надежность. Эти датчики нашли широкое применение в метеорологическомоборудовании и системах климат-контроля.
2.2. Датчик расхода воды на распыление
/>
Рис.8. Внешний вид датчика.
Датчик ДРК-4предназначен для измерения расхода и объема воды в трубопроводах и имеетследующие технические характеристики:
1) Измеряемаясреда – вода с параметрами:
– температураот 1 до 150°С;
– давление до2,5 МПа;
– вязкость до2·106 м2/с
2) Диаметртрубопровода Dу 80...4000 мм
3)Динамический диапазон 1:100
4) Пределыизмерений 2,7...452 400 м3/ч
5) Выходныесигналы: токоимпульсный (ТИ); унифицированный токовый 0…5, 4…20 мА;
6) Предел допускаемойотносительной погрешности измерений объема и расхода по импульсному сигналу ииндикатору:
±1,5% прискоростях потока 0,5...5 м/с;
±2,0% прискоростях 0,1≤V
7) Пределдопускаемой относительной погрешности измерения
времени наработки±0,1%;
8) 1 или 2канала измерения расхода;
9)Формирование почасового архива значений объема и расхода;
10)Самодиагностика.
/>
Рис.9. Блок-схема датчика.
Принципдействия датчиков ДРК-4 основан на корреляционной дискриминации временипрохождения случайными, например, турбулентными флуктуациями расстояния междудвумя парами ультразвуковых акустических
преобразователейАП1-АП4, АП2-АП3. Это время транспортного запаздывания и является мерой расходаконтролируемой среды, движущейся по трубопроводу. Во
время работыакустические преобразователи (АП1-АП4), возбуждаемые генераторамиультразвуковой частоты (ГУЧ1 и ГУЧ2), излучают ультразвуковые колебания. Этиколебания, пройдя через поток жидкости, порождают вторичные электрическиеколебания на АП. Из-за взаимодействия встречных ультразвуковых лучей снеоднородностями потока, обусловленными, например, турбулентностью этогопотока, электрические колебания на АП оказываются модулированными. Эти колебанияпоступают на фазовые детекторы (ФД1 и ФД2) и далее на корреляционныйдискриминатор (КД), управляемый микропроцессором.
В результатекорреляционной обработки определяется время транспортного запаздывания, по которомумикропроцессор производит вычисление периода
выходныхимпульсов и их формирование. Далее КД определяет объем нарастающим итогом,мгновенный расход, время наработки и выводит информацию на индикатор. Выходные импульсыпреобразователя
ДРК-4ЭП могутпередаваться для дополнительной обработки на тепловычислитель, счетчик-интеграторлибо оконечный преобразователь ДРК-4ОП, который формирует унифицированныйтоковый выходной сигнал 0…5, 4…20 мА, пропорциональный мгновенному расходу.
Конструктивнодатчик ДРК-4 состоит из комплекта первичных преобразователей ДРК$4ПП,электронного преобразователя ДРК-4ЭПХХ и оконечного преобразователя ДРК-4ОП.Комплект первичных преобразователей состоит из 4-х акустическихпреобразователей ДРК-4АП с соединительными кабелями длиной 3 м и 4-х штуцеровдля монтажа их на трубопроводе.
Контроллерблока индикации суммирует входные импульсы, вычисляет накопленный объемнарастающим итогом и мгновенный расход, выводит эту информацию на индикатор,формирует двоичный код, характеризующий
мгновенныйрасход, который вводится в ЦАП, формирует архив.
Основныепреимущества:
· отсутствие сопротивления потоку и потерь давления;
· возможность монтажа первичных преобразователей на трубопроводепри любой ориентации относительно его оси;
· коррекция показаний с учетом неточности монтажа первичныхпреобразователей;
· сохранение информации при отключении питания в течение 10 лет;
· беспроливной, имитационный метод поверки;
· межповерочный интервал — 4 года.
2.3.Исполнительный механизм
Вкачестве исполнительного механизма синтезируемой системы используется миниспринклер4191 компании JHiI.S., который специально разработан для поддержания постояннойвлажности, уменьшения высоких температур в жарком климате за счет испарения идля орошения растений в специальных условиях.Миниспринклер обеспечиваеттуманообразование с очень мелким размером капелек — приблизительно от 50 до 250микрон при давлении 3.0 Атм. Уникальная конструкция исключает образованиекрупных капель и капание на растения при размещении спринклеров сверху. Миниспринклер работает в широком диапазоне давления воды. Поднимая давление и используяспринклеры с меньшим расходом воды, можно получить минимальный размер капель. Минимальноедавление, при котором закрывается предохранительный клапан, равноприблизительно 2.5 Атм. Миниспринклеры могут устанавливаться как на стойках,так и подвешиваться в случае верхней разводки воды.
/>
Рис.10. Внешний вид и работа миниспринклера в режиметуманообразования. Материал Полиацетат Расход воды 12,20,35,50,70,90,160,180 литров в час Рабочее давление 1,0…4,0 атм. Диаметр орошения 2,0…4,0 м Угол раскрытия факела воды Круговой, примерно 310° Направление распыления Горизонтальное/вертикальное Размер капель 50-150 крон при давлении 3,0 атм.
3. РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ
3.1.Разрядности АЦП и ЦАП
Рассчитываемдопустимое значение погрешности вычисления управляющего воздействия призначении коэффициента точности управляющего кода />:
/>В
Рассчитываем разрядность АЦП:
/>
Таким образом, АЦП должен иметь не менее 8-ми разрядов.
Находим коэффициент пересчетаАЦП:
/>(1/% RH)
Определяем величину младшегоразряда АЦП:
/>(% RH)
Вычисляем разрядность ЦАП:
/>
Получили, что ЦАП должен иметь не менее 8-ми разрядов.
Находим коэффициент пересчетаЦАП:
/>(В)
Таким образом, коэффициент пересчета от входа АЦП до выходаЦАП:
/>(В/% RH)
3.2. Трансформированнаяпогрешность
Рассчитываем трансформированнуюпогрешность, которая обусловлена трансформацией погрешностей входныхпеременных, по которым определяется управление для ПИ закона. Для этогоиспользуем ряд конечных разностей
/>
и расчётную формулутрансформированной погрешности
/>
Если вычисление интеграла быловыполнено по формуле трапеций, то погрешность определяется как:
/>
Получили величину трансформированнойпогрешности, которая в два раза превосходит допустимую. Для её уменьшениявведём экспоненциальное сглаживание с коэффициентом ослабления />, тогда:
/>В
3.3. Инструментальнаяпогрешность
Для оценки инструментальнойпогрешности выбираем разрядность АЛУ микроконтроллера на 4 разряда больше, чемв АЦП, и рассчитываем величину младшего разряда.
/>(В)
Теперь для оценки инструментальнойпогрешности, которая обусловлена ограниченной длиной разрядной сеткивычислителя, необходимо подсчитать количество округлений в алгоритмах проверкина достоверность, сглаживание и ПИ-закона управления:
/>
/>
Полная инструментальнаяпогрешность определяется как
/>,
где дисперсия единичногоокругления в АЛУ с учётом равномерного закона распределения определяется ввиде:
/>
Итак, имеем:
/>(В)
Находим методические погрешностиинтегрирования и дифференцирования на интервале /> спомощью моделирования в пакете Simulink замкнутойсистемы:
/> В
Среднеквадратическое значениеошибки управляющего воздействия составляет:
/>(В2)
Из выполненных расчётов видно,что обеспечить заданную допустимую погрешность вычислений />В можно, выбрав коэффициентослабления помех равный />, АЦП и ЦАП 8-ми разрядными, аколичество разрядов АЛУ не менее 12-ти.
4. ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА
При измерении технологическихпараметров информация от датчиков поступает в аппаратуру ввода/вывода в видеунифицированных сигналов (0-10В или 4-20 мА), т.е. реальной физической величинесоответствует напряжение или сила тока. В устройствах связи с объектом этисигналы преобразуются в двоичные коды длиной от 8 до 16 разрядов. Чтобыпровести анализ получаемой информации, необходимо преобразовать коды АЦП вмасштаб реальных физических величин: % RH, м3/час.К тому же датчики могут иметь статические ошибки, нелинейные характеристики илизашумленный выходной сигнал.
Для получения корректных значенийрезультатов мониторинга из двоичных кодов применяют алгоритмы первичнойобработки такие, как нормализация, пересчет в технические единицы, проверка надостоверность, сглаживание, проверка на технологические границы.
В данной работе исследуются такиеалгоритмы первичной обработки, как
— проверка на достоверность,
— сглаживание.
Проверка на достоверность.Благодаря её выполнению, обнаруживаются и устраняются импульсные помехи,выявляется обрыв или короткое замыкание в канале связи и формируется сообщениео нарушениях оператору-технологу.
В данной работе в качестве измерительнойпогрешности учитывается только погрешность датчика. Если выбран датчик спогрешностью />, то максимально допустимоезначение погрешности измерения определяется как:
/>
Это выражение следует изнормального закона распределения погрешностей измерения, в соответствии скоторым максимальное значение случайного сигнала ymax= 3σy (σy– среднеквадратическое значение). При этом условие проверки на достоверностьимеет вид:
/>.
Проверка сигналов надостоверность заключается в следующем: если условие не выполняется, тосодержимое счетчика нарушений увеличивается на 1, неверное значение показанийдатчика заменяется последним достоверным, и проверяется следующее показаниедатчика. При этом осуществляется переход к меньшему шагу опроса датчика:/>(/> — новое значение шагаопроса датчика после обнаружения первого неправильного отсчета). Процедурапроверки повторяется. Если трижды подряд с шагом /> невыполняется условие проверки на достоверность, то по знаку разности (/>) принимается решение обобрыве или неисправности датчика i-го канала.Фиксируется время нарушения, его причина и включается резервный канал илирезервный датчик.
Сглаживание. Обычно походу технологических процессов возникают помехи с частотами, близкими илиравными частотам полезного сигнала. Примером такой помехи могут бытьпогрешности измерения. Устранить их аппаратными фильтрами не удается, но можноослабить, и весьма существенно, программным путем, реализуя алгоритмскользящего или экспоненциального сглаживания.
Алгоритм скользящего среднего илискользящего окна имеет вид:
/>
Mi– параметр сглаживания, величина которого определяет количество отсчетов />, взятых для вычисленияодного сглаженного значения />.
Принцип скользящего: длявычисления очередного сглаженного значения записанная в Мi ячейках памяти информация сдвигается влево, и в освободившуюсяячейку заносится новый отсчет датчика. После чего выполняются процедурысуммирования Мi отсчетов иумножения на коэффициент />. Изанализа алгоритма ясно, что для его реализации потребуется Mi+2ячейки памяти, а время готовности алгоритма выдать с заданной точностью 1-есглаженное значение составит
/>.
Величина параметра сглаживания /> вычисляется по заданномузначению коэффициента ослабления помех />,который, в свою очередь, представляет собой отношение
/>,
где />-среднеквадратическое значение помех в отсчетах датчиков xik; />- среднеквадратическоезначение помех в сглаженных, вычисленных в соответствии по алгоритму значений xcik.
Значение параметра сглаживаниядля i–го датчика:
/>.
Экспоненциальное сглаживание. Егоалгоритм имеет вид:
/>
при начальном значении/> и диапазоне измененияпараметра сглаживания: 0i
Величина параметра a определяет длительность переходныхпроцессов и качество сглаживания. Чем меньше a,тем лучше сглаживание, но тем большее время потребуется для получениясглаженного значения /> сзаданным ослаблением помехи />.
Выражение расчёта параметра /> для алгоритмаэкспоненциального сглаживания, если задан коэффициент ослабления помех />:
/>
Первое сглаженное значение будетполучено с заданной точностью /> всоответствии с алгоритмом спустя время:
/>.
Это время будет возрастать сувеличением точности вычислений δ. Достоинством алгоритмаэкспоненциального сглаживания, по сравнению со скользящим окном, является малыйобъем памяти, хотя он значительно дольше входит в установившийся режим.
/>
Рис.14.Результаты работы алгоритмов проверки надостоверность,
сглаживания скользящим средним с коэффициентомослабления помех />,
экспоненциальногосглаживания со степенью приближения δ = 10-5
длясигнала с датчика влажности.
5. ВЫБОР БАЗОВОГО КОМПЛЕКСА
5.1.Микроконтроллер
ADuC7020- микроконтроллер фирмы Analog Devices для прецизионной обработки аналоговых сигналов, содержащийв своем кристалле полнофункциональную 12-разрядную систему сбора и обработкиданных на основе ядра микроконтроллера ARM7TDMI и 12-разрядного АЦП с частотойпреобразования 1 МГц. По аналогии с другими интегральными преобразователямиданных микроконтроллер характеризуется сочетанием на одном кристаллепрецизионного аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразования ифлэш-микроконтроллера.
/>
Рис.11.Функциональная схема микроконтроллера
(ИОН– источник опорного напряжения, ПЛМ – программируемая логическая матрица, УАПП– устройство асинхронной приемо-передачи, ОЗУ – оперативное запоминающееустройство, MIPS – млн. операций в сек.)
Отличительныеособенности:
· 12-разр. АЦП с 5 мультиплексированными входами, частотапреобразований АЦП 1 МГц
· Четыре 12-разр. ЦАП с выходами по напряжению с полным размахом(Rail-to-Rail)
· Прецизионный источник опорного напряжения (2,5В±10 мВ)
· Ядро микроконтроллера ARM7TDMI с производительностью 45 млн.операций в сек.
· 62 кбайт внутрисхемно перепрограммируемой флэш-памяти программ/данных
· 8 кбайт статического ОЗУ
· Последовательные порты: УАПП, SPI и два I2C
· Компаратор, матрица программируемой логики (PLA), супервизорпитания (PSM), сброс при подаче питания (POR), гибкое конфигурирование блокасинхронизации, гибкие режимы уменьшения энергопотребления
· Внутрисистемное последовательное программирование
· Внутрисистемная JTAG-эмуляция
· 14 линий универсального ввода-вывода
Устройствотактируется от встроенного генератора с синтезатором частоты с ФАПЧ (PLL),который генерирует тактовые импульсы с частотой до 45 МГц. Этот тактовый сигналпроходит через программируемый делитель частоты, с выхода которого тактоваячастота поступает на ядро процессора. В микросхеме применено микропроцессорноеядро ARM7TDMI, 16/32-разрядный RISC процессор, обеспечивающий пиковую производительностьдо 45 миллионов операций в секунду (MIPS). На кристалле имеется 62 kBэнергонезависимой
флэш/ЕЕпамяти, а также 8 kB статического ОЗУ (SRAM). Для ядра ARM7TDMI вся память ирегистры доступны в одном линейном пространстве памяти.
Встроенное программноеобеспечение поддерживает внутрисхемную последовательную загрузку через порты последовательныхинтерфейсов UART и JTAG, при этом через интерфейс JTAG можно осуществлятьэмуляцию.
Данные микроконтроллерыработают при напряжении питания 2,7 … 3,6 В и их параметры нормированы для индустриальноготемпературного диапазона
-40°C…125°C. При работе на частоте 45 МГц рассеиваемая мощность составляет 150 мВт.
4.2.Аналого-цифровой преобразователь
Аналого-цифровой преобразователь,входящий в состав ADuC7020 – это быстродействующий, многоканальный 12-разрядныйАЦП. Он работает при напряжении питания 2.7...3.6 В и обеспечиваетпроизводительность до 1 миллиона отсчетов в секунду (1 MSPS) при тактовойчастоте 45 МГц. В блок АЦП входят многоканальный мультиплексор, дифференциальноеустройство выборки-хранения, встроенный источник опорного напряжения (ИОН) и собственноАЦП.
Преобразователь представляетсобой 12-разрядный АЦП последовательного приближения на основе двух ЦАП напереключаемых конденсаторах. АЦП может работать в одном из трех различныхрежимов, в зависимости от заданной конфигурации:
• полностью дифференциальныйрежим – для слабых дифференциальных сигналов;
• однополярный режим – для любыходнополярных сигналов
• псевдодифференциальный режим – длялюбых однополярных сигналов, но при этом обеспечивается преимущество –подавление синфазного сигнала псевдодифференциальным входом.
Данный преобразователь работает саналоговым сигналом в диапазоне от 0 до VREF при работе в однополярном или псевдодифференциальномрежиме. В полностью дифференциальном режиме синфазное напряжение VCM входногосигнала должно находиться в диапазоне 0...AVDD и амплитуда входного сигнала недолжна превышать 2·VREF.
На кристалле имеетсяпрецизионный, высокостабильный источник опорного напряжения (ИОН) напряжением2.5 В. Также можно использовать внешний ИОН, как описано ниже. С помощьюпрограммы запускается режим одиночного или непрерывного преобразования. Крометого, для запуска аналого-цифрового преобразования может быть использован сигнална входе CONVSTART, выходной сигнал встроенной в кристалл программируемойлогической матрицы (PLA), а также сигнал переполнения таймера Timer1 илиTimer2.
В псевдодифференциальном илиоднополярном режиме входной сигнал находится в диапазоне 0...VREF. Выходной кодв псевдодифференциальном или однополярном режиме – прямой двоичный код, единицамладшего разряда (LSB) соответствует 1 LSB = FS/4096 или 2.5 В/4096 = 0.61 мВ =610 мкВ при опорном напряжении VREF = 2.5 В. В идеале характеристика преобразованияпроходит через точки 1/2 LSB, 3/2 LSBs, 5/2 LSBs,… ., FS–3/2 LSB. Идеальная характеристикапреобразования показана на рисунке 12.
/>
Рис.12. Характеристикапреобразования АЦП в
псевдодифференциальном илиоднополярном режиме
В полностью дифференциальномрежиме амплитуда дифференциального сигнала представляет собой разность междувеличинами сигналов на входах VIN+ и VIN– (то есть VIN+ – VIN–). Максимальныйразмах дифференциального сигнала таким образом составляет величину от –VREF до+ VREF (то есть 2·VREF). Это без учета синфазного сигнала (common mode, CM).Синфазный сигнал является средним двух сигналов, т.е. (VIN+ + VIN–)/2 и такимобразом синфазный сигнал – это уровень, относительно которого изменяются двавходных сигнала. Поэтому пределы изменения сигнала на каждом входе определяютсявеличиной CM ± VREF/2. Синфазное напряжение устанавливается с помощью внешнихцепей и его диапазон зависит от величины VREF. В полностью дифференциальномрежиме аналоговый сигнал преобразуется в дополнительный цифровой код с величиной1 LSB = 2·VREF/4096 или 2·2,5 V/4096 =1,22 мВ при VREF = 2,5 В. В идеалехарактеристика преобразования проходит через точки 1/2 LSB, 3/2LSBs, 5/2LSBs,..., FS–3/2 LSB. Идеальная характеристика преобразования показана на рисунке13.
/>
Рис.13. Характеристикапреобразования АЦП в
полностью дифференциальномрежиме.
4.3.Цифро-аналоговый преобразователь
В микросхемеADuC7020 имеется четыре 12-разрядных ЦАП с выходом напряжения. Каждый ЦАП обладаетвыходным буфером с полным диапазоном
напряжения(rail-to-rail) и способным работать на нагрузку 5 кОм/100 пФ. Буферы можноотключить.
ЦАП может работать в трехдиапазонах выходного сигнала: 0...VREF (при работе с внутренним ИОН 2.5В),0...DACREF (вывод 56) и 0...AVDD. К выводу DACREF подключается внешнийопорный источник. Диапазон сигнала на этом входе может составлять от 0 до AVDD.
Каждый ЦАП управляется независимопри помощи регистра управления и регистра данных. Эти регистры одинаковы у всехчетырех.
Структура ЦАПпредставляет собой цепочку резисторов (string DAC) с буферным усилителем на выходе.ИОН для каждого ЦАП может выбираться пользователем программно. Это может бытьAVDD, VREF или DACREF. В режиме 0–AVDD сигнал на выходе ЦАП изменяется вдиапазоне от 0 до
напряженияпитания на выводе AVDD. В режиме 0–DACREF сигнал на выходе ЦАП изменяется вдиапазоне от 0 до напряжения на выводе DACREF. В режиме 0–VREF сигнал на выходеЦАП изменяется в диапазоне от 0 до напряжения внутреннего ИОН VREF = 2.5 В.Буфер на выходе ЦАП обладает rail-to-rail выходом. Это означает что приотсутствии нагрузки сигнал на выходе может приближаться ближе чем на 5 мВ к напряжениямпитания (AGND и AVDD). Более того, параметры, характеризующие линейность ЦАП(при нагрузке 5 кОм) гарантированы для всего диапазона кода, за исключениемдиапазонов кода 0...100 и (если только АЦП работает в диапазоне 0–AVDD) длякодов 3995...4095. Линейность ухудшается вблизи «земли» и вблизи AVDDиз-за насыщения выхода усилителя.
Чтобыуменьшить эффект насыщения выходного усилителя на конечных участкаххарактеристики и уменьшить погрешности смещения и усиления можно
отключитьвнутренний буфер с помощью управляющего регистра ЦАП. Это позволит получить полныйдиапазон сигнала на выходе ЦАП (rail-to-rail),
и этот сигналзатем должен быть буферирован с помощью внешней схемы на усилителе с биполярнымпитанием с целью получить rail-to-rail сигнал на
выходе. Этотвнешний буфер должен располагаться как можно ближе к
СТРУКТУРААСУТП
6.1. Назначениесистемы
РазрабатываемаяАСУТП представляет собой комплекс автоматизированного контроля и управлениявлажностным режимом теплицы и является программно-технической системой длядостоверного измерения состояния климата в теплице и расчет на этой основеуправляющих воздействий на исполнительные механизмы инженерного оборудованиятеплицы.
Система должна выполнятьследующие функции:
· задание суточного цикла влажности и поддержание необходимогоклиматического режима (при изменении задания система обеспечивает плавныйпереход из одного состояния в другое);
· контроль расхода воды в канале распыления;
· сбор, обработку и хранение архивных данных;
· представление технологической информации в удобном дляоперативного персонала виде;
· регистрация событий и ведение журнала тревог (например, привыходе значения влажности за пределы установленного диапазона);
· обеспечение возможности калибровки измерительных датчиков;
· повышение производительности теплицы за счёт жесткогоавтоматического поддержания требуемых параметров;
· обеспечение возможности постепенной модернизации и усложнениясистемы за счёт введения новых аппаратных и программных модулей.
6.2. Архитектура системы
Архитектура разрабатываемойсистемы имеет два уровня: нижний – подсистема управления (датчики,микроконтроллер, исполнительные механизмы и оборудование) и верхний – постоператора (персональный компьютер). Связь между уровнями осуществляется по интерфейсуRS-485. Реализация алгоритмов управления осуществляетсяс помощью автоматизированного модуля верхнего уровня (например, SCADA-система TRACE MODE), который также отвечает за интерфейс на постуоператора.
/>
Рис.15. Мнемосхема АСУТП.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данномкурсовом проекте была синтезирована двухуровневая АСУТП, которая осуществляетдискретное регулирование влажности воздуха и контроль расхода воды нараспыление в теплице. По заданным параметрам ОУ путём моделирования былиопределены параметры настройки ПИ-регулятора, который обеспечивает необходимуюточность регулирования и качество отработки входных воздействий (здесь –задание величины влажности). Используя алгоритмы первичной обработки,исследовалось влияние их параметров на характеристики сигнала с датчикавлажности. Исходя из условия величины погрешности вычисления кода управления,были рассчитаны разрядности элементов ЦУУ (АЦП, ЦАП и АЛУ микроконтроллера) ипроизведен выбор комплекса технических средств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1) Пьявченко Т.А.Автоматизированное управление в технических системах. Учебное методическоепособие, 1999 г.
2) Автоматизированнаясистема контроля технологических параметров тепличного комбината. Журнал«Современные технологии автоматизации»
3) www.gaw.ru/
4) www.optimalsystems.ru/
5) www.fito-agro.ru/