Устройство регулирования температуры тепловой печи с помощью микроконтроллера

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
• 1.1 Описание и модель объекта управления
• 1.2 Требования к качеству контроля и управления
• 2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И УСТРОЙСТВА
• 2.1 Функциональная структура устройства
• 2.2 Режимы работы и структура алгоритмов функционирования системы
• 3. Алгоритмическая СТРУКТУРА СИСТЕМЫ
• 3.1 Алгоритм первичной обработки информации
• 3.2 Усреднение результатов измерения
• 3.3 Квантование сигнала по времени
• 4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ
• 4.1 Техническая структура системы
• 4.2 Выроб типа датчиков
• 4.3 Требования к датчику
• 4.4 Выбор исполнительных устройств
• 4.5 Выбор разрядности обработки данных
• 4.5.1 Баланс ошибок
• 4.5.2 Баланс надежности
• 4.5.3 Разрядность обработки данных
• 4.6 Оценка объема программной памяти
• 4.7 Оценка объема памяти данных
• 4.8 Выбор типа АЦП
• 4.9 Расчет требований к быстродействию микроконтроллера
• 4.10 Выбор базового микропроцессорного комплекта
• 4.11 Синтез принципиальной схемы
• 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
• 6. ЭКОЛОГИЧНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ СИСТЕМЫ
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных областей применения электроники являются сбор и обработка данных о технологических процессах или при научных экспериментах. Первичные преобразователи или датчики (устройства, с помощью которых некоторые физические величины, такие, например, как температура или давление, преобразуется в напряжение, или другие электрические сигналы) используются для получения сигналов, которые далее могут обрабатываться, кодироваться, запоминаться и анализироваться.

Тепловые электрические печи уже давно вошли в нашу жизнь. Они используются как на бытовом уровне, так и в промышленности. Если имеется тепловая электрическая печь с нерегулируемой мощностью, то ее нагревательный элемент горит в полный накал тогда, когда достаточно и четверти номинальной мощности, бессмысленно расходуя драгоценные киловатт-часы. Выходом из такой ситуации может послужить применение в тепловой электропечи регулятора мощности. Кроме того, современная электроника позволяет автоматизировать процессы измерения и регулирования температуры. В отличие от печей, работающих на различных видах топлива (природный газ, нефтепродукты, уголь или древесные отходы), электрические печи обладают рядом особенностей, которые при определенных условиях компенсируют высокую стоимость электроэнергии как основного ресурса. С точки зрения принципиального устройства, в тепловых электрических печах используются трубчатые электронагреватели - ТЭНы. ТЭН представляет собой прочную металлическую оболочку из стали, алюминия или титана с размещенной внутри нихромовой спиралью и контактными стержнями. От оболочки спираль отделена спрессованным диэлектрическим наполнителем: периклазом (оксидом магния MgO) или кварцевым песком, обладающие хорошей теплопроводностью. Для предохранения от попадания внутрь ТЭНов влаги их концы герметизируются. ТЭНы взрывобезопасны, но с другой стороны, ТЭН может выйти из строя по причине нестабильности работы электросетей или перегрева из-за наличия коррозионных отложений. На точность регулирования температуры в большой степени влияют также масса нагревателя и среды (нагреваемого тела.), т.е. инерционность системы. После выключения нагревателя температура окружающей среды некоторое время продолжает увеличиваться благодаря отдаче тепла от нагревателя в окружающую среду. Точно так же и при включении нагревателя температура среды начинает повышаться не сразу, а с некоторой задержкой. Таким образом, возникает погрешность регулирования температуры, которая может достигать нескольких градусов. Избавиться от этого недостатка можно применением терморегулятора с плавным регулированием мощности нагревательного регулирования элемента. Использование и разработка устройств автоматического регулирования является на сегодняшний день делом достаточно актуальным, востребованным, и применяется во множестве промышленных отраслей.

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Исходя из технического задания, определим необходимые направления работы.

Разберем каждый пункт по отдельности и сделаем выводы.

1. Регулирование температуры в электропечи от О С° до 1000 С⁰. При измерении высоких температур применяются специальные датчики. При таком диапазоне необходимо использовать АЦП с большой разрядной сеткой.

Для питания электропечей обычно применяется промышленная электросеть 380 В 50 Гц.

2. Общая погрешность 1С°.

При такой погрешности разрядность АЦП возрастает.

Чем меньше погрешность тем чаще необходимо опрашивать АЦП следовательно накладываются ограничения на скорость АЦП и МК.

3. Ввод уставки с помощью кнопок.

Необходимо спроектировать устройство наиболее простое в эксплуатации, чтобы персонал не нуждался в специальной подготовке.

4. Индикация установки.

Чтобы не утомлять оператора установка должна индицироваться на больших индикаторах.

5. Индикация при различных условиях.

При аварийных ситуациях необходимо использовать яркие, заметные индикаторы.

6. Мощность печи 14 КВт.

Сила коммутируемого тока имеет высокое значение.

Для коммутации необходимо выбрать силовое устройство.

Необходимо спроектировать устройство, регулирующее температуру в лабораторной электропечи.

1.1 Описание и модель объекта управления

Наибольшее распространение получили двух- и трехпозиционные системы регулирования. Для нашего устройства выберем двухпозиционное регулирование т.к. оно более простое и позволяет регулировать температуру с заданной погрешностью.

Исполнительное устройство двухпозиционного регулятора может находиться лишь в двух фиксированных положениях и переключается из одного положения в другое в момент, когда регулируемая величина проходит через заданное значение. Одно из положений исполнительного устройства выбирается таким, чтобы подводимая мощность была заведомо больше потребляемой. В этом положении регулируемая температура будет всегда возрастать. Во втором положении регулирующего органа подводимая мощность меньше потребляемой, что вызовет снижение регулируемой температуры. На рисунке 1 показаны характеристики релейных двухпозиционных регуляторов. Рисунок 1а иллюстрирует работу регулятора при регулировании полной мощностью и отсутствии зоны нечувствительности: при t < t_зад Р = 100%, при t > t_зад Р = 0.

На рис. 1б - то же при наличии зоны нечувствительности: при t < t_зад + dt P = 100%, при t > t_зад - dt Р = 0.

Рисунок 1 - Характеристики релейных двухпозиционных регуляторов

Рассмотрим схему двухпозиционного регулирования температуры электропечи с исполнительным устройством в виде контактора. Датчик температуры, установленный в печи, подсоединен к регулятору. Регулятор управляет включением нагревательного элемента с помощью контактора. Работа схемы происходит следующим образом. Регулятор работает в автоматическом режиме. Если температура печи ниже заданной, то контактор замкнут и нагревательный элемент работает. К печи подводится полная мощность Р_н, и ее температура начинает расти (рисунок 2). При нагреве печи до температуры t_зад + dt контакт разомкнётся, регулятор отключит печь и температура начнет снижаться. При температуре t_зад - dt контакт вновь замкнется, печь будет вновь включена, температура начнет расти и т. д.

Таким образом, процесс регулирования температуры печи по двухпозиционному принципу состоит в изменении ее но «пилообразной» кривой вокруг заданного значения в пределах интервала ±dt, определяемого зоной нечувствительности регулятора [1].

Рисунок 2 - Процесс регулирования температуры электропечи

Средняя мощность печи при этом будет зависеть от соотношения времени включенного ф_вкл и выключенного ф_выкл состояния печи. Так как по мере прогрева печи потребляемая мощность снижается, то ф_вкл будет уменьшаться, а ф_выкл возрастать. Этот процесс будет длиться до полного прогрева печи.

Двухпозиционный регулятор обеспечит соответствие средней подводимой мощности Р_ср значению потребляемой мощности, а средняя температура t_cp будет поддерживаться на заданном уровне.

Зона нечувствительности современных терморегуляторов может быть сделана небольшой и составлять величину в десятые доли градуса.

Позиционное регулирование температуры, являясь наиболее простым, может быть применено практически для большинства электропечей. В тех случаях, когда вызываемые им колебания температуры нагреваемых изделий недопустимы, они могут быть уменьшены или полностью исключены путем уменьшения тепловой инерции датчика и правильного его расположения внутри объекта. Если эти средства оказываются неприемлемыми, применяют непрерывное регулирование. Импульсное регулирование температуры электропечей практически не имеет преимуществ по сравнению с непрерывным и применяется лишь в редких случаях.

Режимы работы:

Режим ввода установки - в этом режиме система выходит из режима управления, принимает через интерфейс требуемое значение температуры и сохраняет его.

Режим управления - в этом режиме система получает данные с датчиков, анализирует их и выдает управляющие воздействия на исполнительные механизмы.

Режим ввода/вывода данных на индикацию - в этом режиме данные поступающие с датчиков, управляющие воздействия поступающие на исполнительные механизмы и аварийные ситуации выводятся на индикацию для наблюдения за происходящим.

Мнемосхема системы регулирования:

Мнемосхема объекта управления приведена на рисунке 3. Система управления производит контроль над параметрами температуры.

Рисунок 3 - Мнемосхема системы регулирования

Распишем каждый блок мнемосхемы более подробно. Элемент 1 - задающее устройство. Элемент 7 - устройство сравнения измеряемого t и заданного t₀ значений регулируемой величины, предназначен для определения отклонения ¹

Дt = t - t_o

Элемент 2 - управляющее устройство (собственно регулятор), вычисляющее в зависимости от знака отклонения Дt величину регулирующего воздействия.

Управляющее устройство придаст системе необходимые статические и динамические свойства, так как именно в нем формируется закон регулирования, т.е. зависимость между отклонением и регулирующим воздействием.

Элемент 3 - усилитель он позволяет управлять силовыми элементами.

Элемент 4 - исполнительное устройство, является выходным силовым органом регулятора и непосредственно воздействует на управляющий орган регулируемого объекта 5.

Элемент 6 - датчик, осуществляющий непосредственное измерение регулируемой величины и преобразование ее в сигнал, удобный для передачи на расстояние в элемент сравнения 7.

В конкретных случаях отдельные элементы системы регулирования могут быть совмещены или вовсе отсутствовать.

Электрическая печь как объект регулирования характеризуется обычно некоторой тепловой инерцией, обусловленной тепловой емкостью нагревательных элементов, теплоизоляции и других конструктивных элементов. Часто значительной тепловой емкостью обладают и нагреваемые изделия. Поэтому температура печи изменяется сравнительно медленно, и для поддержания постоянной температуры не требуется соответствия между поступающей в печь и потребляемой ею мощностями для каждого момента времени. Достаточно, если это соответствие выполняется для средних значений мощностей за достаточно длительный промежуток времени.

Система регулирования, мнемосхема которой изображена на рисунке 3, работает по принципу регулирования по отклонению:

Дt = t - t_o

т.е. регулятор стремиться свести к нулю рассогласование между фактическим значением регулируемого параметра и заданного.

Для таких систем характерно наличие замыкающей отрицательной обратной связи с выхода объекта на вход регулятора, и они позволяют поддерживать любой закон изменения регулируемой величины вне зависимости от динамических свойств регулируемого объекта и характера действующих на него внешних воздействий. Динамические свойства системы, работающей по отклонению, могут существенным образом отличаться от свойств отдельно взятого объекта регулирования.

Главной задачей регулятора температуры является поддержание регулируемого параметра в допустимых пределах. Для выполнения этой задачи регулятор должен контролировать величину регулируемого параметра, если система работает по отклонению, или величину возмущения, если используется принцип компенсации возмущений. Регулятор должен также усиливать сигнал, несущий информацию о состоянии объекта, формировать задание и закон регулирования, а также осуществлять управляющее воздействие.

1.2 Требования к качеству контроля и управления

Основным недостатком двухпозиционного регулирования является наличие колебаний температуры печи и изделия, которые в некоторых случаях оказываются неприемлемыми. Снижение амплитуды колебаний может быть достигнуто при уменьшении зоны нечувствительности регулируемого устройства dt, избытка мощности и запаздывания в системе. Зоны нечувствительности у современных регуляторов десятые доли градуса. Дальнейшее снижение dt в случаях, когда в системе регулирования имеется запаздывание, нецелесообразно, так как dt обычно значительно меньше величины колебаний обусловленных запаздыванием t₀. Наибольший эффект может быть получен при снижении величины запаздывания, которая в основном определяется инерционностью датчика.

Таким образом, позиционное регулирование температуры, являясь наиболее простым, может быть применено практически для большинства электропечей. В тех случаях, когда вызываемые им колебания температуры нагреваемых изделий недопустимы, они могут быть уменьшены или полностью исключены путем уменьшения тепловой инерции датчика и правильного его расположения внутри объекта.

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ УСТРОЙСТВА

Всякая система управления представляется в виде совокупности объектовой, задающей и управляющей частей. Объектовая часть системы (объект управления) состоит в общем случае из множества разнородных объектов, снабженных исполнительными органами. Функции объектовой части:

воспринимает управляющие сигналы;

выдает осведомительную информацию о своем текущем состоянии в задающую часть;

реализует целевую функцию системы.

Задающая часть объединяет в себя датчики и преобразователи входной информации, а также устройства для ее предварительной обработки - кодирования, группирования по признакам, отождествления и т.д.

Задающая часть предназначена для сбора и предварительной обработки элементов исходной информации, являющихся элементами целевой функции системы. Она выполняет следующие функции:

воспринимает и кодирует потоки входной информации, используя некоторое множество конечных алгоритмов;

распознает и отождествляет внешние возмущающие воздействия на фоне текущего состояния системы;

передает входную информацию по каналам связи;

вырабатывает временные координаты и синхронизирует функционирование системы во времени.

Управляющая часть состоит из устройств, перерабатывающих исходную информацию в соответствии с определенными правилами, и реализует соответствующие функции:

принимает от задающей части элементы исходной информации и временные координаты;

вычисляет заданные неявно или зашумленные значения фазовых координат и параметров объекта;

в зависимости от характера исходной информации выбирает (в случае детерминированных систем) или вырабатывает (в случае самонастраивающихся систем) оптимальную стратегию реализации целевой функции управления.

Для системы можно синтезировать ее функциональную, алгоритмическую и управляющую части.

2.1 Функциональная структура устройства

Функциональная структура СЭА отображает комплекс выполняемых системой функций и взаимосвязь между ними.

Функциональная схема устройства блока терморегулирования приведена в приложении А.

Система реализует следующие подфункции:

ввод/отображение данных управления;

организация процесса управления;

организация системных данных;

терморегулирование (для чего производится опрос датчиков температуры и управление исполнительными механизмами);

анализ работоспособности оборудования для определения аварийной ситуации.

2.2 Режимы работы и структура алгоритмов функционирования системы

Структурная схема режимов работы системы, на которой изображены связи между режимами работы, приведена в приложении В.

Основным режимом работы системы является режим регулирования. В этот режим система входит после инициализации при первом включении или после ввода оператором новых значений требуемой температуры. В процессе управления система переходит в различные подрежимы:

ввода/отображения данных, при изменении пользователем параметров управления;

аварийный, при обнаружении критической для работы системы ошибки.

После включения оператором производится ввод данных параметров температуры. Затем система переходит в режим терморегулирования.

В свободное от задач регулирования время, контроллер системы занимается задачами ввода/отображения данных. Схемы функционирования приведены в приложениях С и D.

Описание функционирования устройства в основном режиме

При включении питания или сбросе вырабатывается сигнал А(t) сбрасывающий регистры хранения текущих данных и запускающий счетчик. При запуске счетчика вырабатывается сигнал В(t), останавливающий вычисления. Сигнал с датчика Dat(t) поступает на усилитель затем преобразуется в цифровую форму. Полученное значение D(t) попадает в мультиплексор и пропускается при присутствии сигнала А(t). Далее оно сравнивается с значением уставки G(t), затем, исходя из результата сравнения R(t), M(t), вычисляются управляющие воздействия О(t), которые подаются через усилитель на исполняющий механизм.

В случае, когда проверка на достоверность дала отрицательный результат (данные не достоверны), вырабатывается сигнал Н(t) поступающий в блок выработки аварийных сигналов E(t), F(t).

Сигнал E(t) отключает питание на нагревателях. Сигнал F(t) выводится на индикацию. На индикацию также выводится сигнал R(t).

Описание функционирования устройства в режиме ввода/вывода данных.

Таблица 1 Описание сигналов

Dat(t)	Аналоговый сигнал с датчика
A(t)	Сигнал включения питания (начала нового цикла)
B(t)	Сигнал готовности датчика
G(t)	Значение уставки
R(t)	Разность больше нуля
M(t)	Разность меньше нуля
O(t)	Управляющий сигнал
H(t)	Сигнал неисправности датчика
D(t)	Текущее значение температуры
F(t)	Аварийный сигнал
E(t)	Отключение питания
K(t)	Сигнал неисправности нагревателей
Oy(t)	Воздействие на объект управления
Ep(t)	Прибавить единицу
Em(t)	Отнять единицу
Dp(t)	Прибавить десяток
Dm(t)	Отнять десяток
Sp(t)	Прибавить сотню
Sm(t)	Отнять сотню
Rb(t)	Рабочий режим включен

При включении питания либо при нажатии кнопки сброс вырабатывается сигнал A(t), который сбрасывает микроконтроллер и банки хранения данных. При нажатии кнопок вырабатываются сигналы ep(t), em(t), dp(t), dm(t), sp(t), sm(t), которые соответствуют действиям прибавить (р) или отнять(m) единицу(е), десяток (d), сотню (s). Эти сигналы поступают в мультиплексор - селектор. Мультиплексор - селектор управляется сигналом rb(t) который вырабатывается при нажатии кнопки «Режим работа». При наличии сигнала rb(t) на управляющем входе мультиплексор - селектор пропускает сигналы, поступающие с АЦП, при отсутствии сигналы, поступающие с кнопок выбора уставки. Данные после мультиплексора - селектора ms(t) попадают в блок обработки данных. В этот блок поступает также и сигнал rb(t), который запрещает выполнение некоторых операций. Затем данные преобразуются в удобный для индикации код и индицируются. Параллельно этому данные заносятся в память, где и хранятся до прихода следующего сигнала A(t).

Описание входных и выходных сигналов приведено в таблице 1.

3. АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ

3.1 Алгоритм первичной обработки информации

температура датчик цифровой слежение

Каждая типовая процедура первичной обработки информации может быть реализована различными вариантами алгоритмов, отличающимися точностью выполнения операций, временем ее выполнения в микроконтроллере, объемом занимаемой памяти. Основная задача при построении подсистемы первичной обработки заключается в определении рационального варианта алгоритма обработки и выбора аппаратуры с тем, чтобы обеспечить требуемую точность вычисления контролируемого параметра.

Первичная обработка сигнала начинается сразу после поступления его с датчиков. АЦП запускается сигналом, поступающим от микроконтроллера. Сигнал готовности АЦП также поступает в микроконтроллера.

На рисунке 5 представлена блок схема алгоритма первичной обработки аналогового сигнала.

Рисунок 5 - Алгоритм первичной обработки и ввода аналоговых сигналов

3.2 Усреднение результатов измерения

Статистическая обработка является одним из методов компенсации случайных погрешностей результатов измерения. Задача статистической обработки сводится к увеличению соотношения «сигнал - шум». При этом предполагается, что спектр шумов лежит в области более высоких частот, чем спектр полезного сигнала. Учитывается, что статистическая обработка приводит к увеличению времени измерений и динамических погрешностей; последняя должна находиться в допустимых пределах.

Простейший метод статистической обработки состоит в том, что значения сигнала х(t) усредняется на интервале Т_ус = t_n - t₀:

где n - число шагов квантования Т_кв, на интервале Т_ус;

х_i = x(t_i) - измеренные значения сигнала;

х_ср - среднее значение сигнала на интервале Т_ус.

Пусть каждое значение х_i получено со случайной погрешностью Е_i, т.е. х₁+Е₁, х₂+Е₂, … х_n+Е_n. Тогда среднее значение выборки из n значений равно

Дисперсия погрешности среднего значения составляет

Учитывая, что Е₁ = Е₂ = … = Е_n =Е, получим

откуда

где у_n - среднеквадратическая погрешность усредненного результата;

у - среднеквадратическая погрешность единичного измерения.

Следовательно, данный метод статистической обработки позволяет уменьшить дисперсию погрешности усредненного результата в n раз по сравнению с дисперсией погрешности единичного измерения.

Если сигнал во времени не изменяется, то выборка n ограничена только временем обработки и требуемым значением у_n².

Определим время усреднения Т_ус в предположение, что сигнал х(t) является регулярным. Пусть за время Т_ус производная сигнала х(t) не меняет знака, а сам сигнал можно аппроксимировать прямой линией (рисунок 6). Тогда величину Т_ус можно определить по следующей формуле

где Д - погрешность за счет изменения сигнала;

x_max и x_min - максимальное и минимальное значение сигнала соответственно;

ф_min - минимально возможное время изменения сигнала от x_min до x_max.



Рисунок 6

В нашем случае согласно заданию перечисленные величины имеют следующие значения: допустимое значение погрешности Д=1⁰; x_max=1000⁰; x_min=0. Примем ф_min=2час., тогда

3.3 Квантование сигнала по времени

Определим шаг квантования сигнала по времени Т_кв по теореме Котельникова. Известно, что 90% энергетической мощности сигнала x(t), изменяющегося скачком от x_min до x_max, несут первые пять гармоник спектра сигнала. Для нашего случая частота главной гармоники составляет а максимальная частота, которой можно ограничиться, равна По теореме Котельникова частота дискретизации сигнала по времени должна составлять т.е. Таким образом, шаг квантования сигнала по времени Т_кв составляет

Зная Т_кв можно определить максимальную погрешность квантования сигнала x(t) по уровню Дх. Для этого воспользуемся следующей формулой

Погрешность квантования Дх изменяется в интервале где д - квант сигнала по уровню. Следовательно, д =2•Дх=2•0,1⁰С=0,2⁰С.

Полученные величины позволят определить разрядность аналого-цифрового преобразователя m по следующей формуле:

где - оператор округления до ближайшего целого значения с избытком.

Подставляя в приведенную формулу известные значения, получаем

Таким образом, разрядность преобразователя составляет 13 двоичных разрядов.

В процессе проектирования устройства необходимо разработать алгоритм работы. Алгоритмы функционирования устройства и фрагменты алгоритмов программы приведены в приложении Е.

4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ

4.1 Техническая структура системы

Определим техническую структуру системы, то есть состав аппаратных средств. Аппаратные средства можно разбить на четыре компонента.

Датчики:

датчик температуры.

Контроллер:

блок сопряжения с датчиками;

микроконтроллер;

- устройства памяти - ОЗУ для хранения оперативных данных, энергозависимое ЗУ для хранения информации о параметрах контроля и управления и на стройках системы;

блок сопряжения с исполнительными механизмами.

Устройства ввода/вывода:

кнопки;

индикаторы.

Исполнительные устройства:

Нагревательный элемент.

4.2 Выбор типа датчиков

Все возрастающие требования к чувствительным элементам автоматических систем приводят к необходимости создания принципиально новых устройств. Одним из наиболее широко используемых чувствительных элементов являются датчики температуры.

Благодаря автоматизации разнообразных процессов измерения и регулирования в промышленности и быту, изготовление и применение датчиков выделилось в самостоятельную отрасль. Отсюда такое разнообразие принципов функционирования, измерительного диапазона, точности, типоразмеров и др. В настоящее время разработаны и широко используются следующие датчики температуры [1] (различные по способу преобразования температуры в электрический параметр):

металлические датчики температуры из платины и никеля (зависимость сопротивления от температуры);

термопары (зависимость ЭДС спая от температуры);

интегральные датчики температуры (зависимость напряжения на выходе от температуры);

температурные контроллеры (выдают напряжение на выходе, непосредственно указывающее абсолютную температуру по шкале Кельвина, деленную на коэффициент К);

терморезисторы (полупроводниковые датчики с положительным или отрицательным ТКС);

температурно-частотные преобразователи (зависимость частоты импульсов на выходе от температуры);

цифровые датчики температуры (выдают цифровой код пропорциональный температуре).

Измерение температуры можно производить с помощью любого устройства, параметры которого зависят от температуры. На практике, однако, используется только небольшое количество датчиков. Это вызвано жесткими требованиями, которые определяют их годность и конкурентоспособность.

Датчики должны обладать:

* высокой чувствительностью к температуре;

идентичностью характеристик разных образцов;

стабильностью термометрических параметров;

малыми габаритами и инерционностью, высокой вибро- и ударостойкостью;

низкой стоимостью и технологичностью изготовления.

В области температур (0 до +1200°С) в качестве датчиков в системах регулирования температуры используются термопары.

Термоэлектрические преобразователи, используемые для измерений температуры, базируются главным образом на эффекте Зеебека. Суть его состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разных проводников, возникает термоЭДС, если на контактах проводников поддерживается различная температура. В простейшем случае цепь образуется двумя проводниками и называется термопарой. Этот случай является самым типичным в технике измерений температуры.

Термопара платинародий - платина. Положительный платиновый электрод обычно легируется родием (температура плавления 1970 °С). Термопара работоспособна во всех средах, кроме восстановительной.

Широко используются термопары с легированием родием и положительного, и отрицательного электродов. В этом случае в положительном электроде процент родия должен преобладать над концентрацией родия в отрицательном электроде. Более высокий температурный предел (1850 °С) имеет термопара ПР40/20.

Качество регулирования температуры в большей мере зависит от места установки датчика в печи, так как нагревательные элементы, теплоизоляция и нагреваемое изделие могут иметь существенно неодинаковые температуры, изменяющиеся при регулировании с различной скоростью. Установка датчика в большой степени определяется характером возмущающих воздействий, определяющих величину и характер отклонений регулируемой температуры.

Возмущения в электрических печах могут быть подразделены на внешние - изменение напряжения питающей сети, температуры окружающей среды и внутренние - изменение производительности электропечей, потребления изделием мощности, расхода газа (для газонаполненных печей) и др.

Если в печи отсутствуют внутренние возмущения или величина их незначительна по сравнению с внешними, основными из которых часто являются колебания напряжения питающей сети, датчик целесообразно устанавливать вблизи нагревательных элементов, так как их температура в первую очередь и в наибольшей мере изменяется при колебаниях сетевого напряжения.

Если внутренними возмущениями и их влиянием на температуру изделия пренебречь нельзя, датчик следует устанавливать вблизи изделия. Однако при этом снижается влияние на датчик управляющего воздействия подводимой мощности, что затрудняет работу регулятора.

Значительно ухудшается также качество регулирования, если между нагревательными элементами и датчиком установлены тепловые экраны, так как обусловленное ими запаздывание увеличивает колебательность системы.

В разрабатываемом устройстве применяются две термопары которые обладают на заданном рабочем диапазоне линейной характеристикой.

4.3 Требования к датчику

При вычислении среднего значения сигнала х_ср по формуле

необходимо выполнение следующего баланса погрешностей

где у_Т - среднеквадратическая трансформированная погрешность, вызванная погрешностью единичных измерений у;

у_и - среднеквадратическая инструментальная погрешность, возникающая из-за округления среднего значения х_ср при учете коэффициента

у_n - среднеквадратическая погрешность величины х_ср.

Для трансформированной погрешности у_Т справедливо следующее выражение:

В свою очередь, погрешность единичного измерения у можно представить следующим образом:

где у_д - среднеквадратическая погрешность датчика;

у_кв - среднеквадратическая погрешность квантования сигнала по уровню.

Уменьшить погрешность датчика труднее, чем погрешность преобразователя. Поэтому, целесообразно установить следующее соответствие Тогда .

Следовательно, для погрешности у_Т получаем

Среднеквадратическую инструментальную погрешность у_и можно оценить по формуле



где д - квант сигнала по уровню. Как показано выше д=0,2⁰С.

Допустимая среднеквадратическая погрешность среднего значения у_n принимается равной

где Д - заданная погрешность. Согласно задания она составляет Д=1⁰С.

С учетом изложенного выше исходный баланс среднеквадратических погрешностей принимает вид

Откуда,

Подставляя Д=1⁰С; д=0,2⁰С и, полагая n=10, получаем

Таким образом, среднеквадратическая погрешность датчика равна у_д=0,12⁰С. Тогда абсолютная погрешность датчика составит а относительная погрешность датчика равна

На основании вышеизложенного осуществляется выбор датчика. Оптимальным вариантом является датчик Т 148 .

Термоэлектрический датчик Т 148 [1] предназначен для измерения температуры воздуха и инертных газов, не содержащих веществ, вступающих во взаимодействие с материалом термопары. В датчиках Т 148 использована платинародий - платинородиевая термопара.

Основные технические характеристики:

Диапазон измерения, °С:

Т148 .......................... 0...+ 1200

Показатель термической инерции, с.... не более 3 Исполнение общеклиматическое Номинальная статическая характеристика:

Т148 ........................... ХА(К)

Допускается воздействие соляного тумана, пыли, солнечного излучения, плесневых грибов.

4.4 Выбор исполнительных устройств

Исполнительный механизм (ИМ) данной системы управления представляет собой нагревательный элемент (НЭ), преобразующий подводимую к нему электрическую энергию в тепловую. Конструкция и способы теплообмена этих НЭ с воздушной средой могут быть самые различные, но принцип преобразования для всех одинаковой. Это выделение тепла при движении и столкновении электронов с узлами кристаллической решетки металлического проводника за счет подводимой к нему электрической энергии.

НЭ является одной из важнейших частей всякой электрической печи, от их надежности в значительной степени зависит надежность работы последней. Работа нагревателя происходит обычно в очень тяжелых температурных режимах, часто при предельно допустимых для материала из которого они выполнены, температурах. Поэтому, если срок службы остальных механизмов и деталей печей исчисляются многими годами, то НЭ выходят из строя и требуют замены часто уже через один - два года. Увеличение срока службы нагревательных элементов печей является важной задачей.

Одними из основных факторов, обусловливающих срок службы нагревателей, является максимальная температура, при которой им приходится длительно работать. Температура нагревателей выше заданной температуры нагрева изделий на величину температурного перепада нагреватель - изделие, зависящего от условий теплопередачи между ними. При правильном расчете нагрева это значение не должно быть большим.

Нагревательные элементы большинства нагревательных печей выполняются либо из ленты, либо из проволоки. Обычно для изготовления нагревателей (для печей с максимальной температурой более +900⁰С) применяется проволока диаметром от 8мм. Соотношения между шагом спирали и ее диаметром и диаметром проволоки выбираются таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную жесткость и в то же время не затруднить теплоотдачу. Чем больше диаметр спирали и чем гуще ее шаг, тем легче разместить в печи нагреватели, но с увеличением диаметра уменьшается прочность спирали, увеличивается склонность витков лечь друг на друга. С другой стороны, с увеличением густоты намотки увеличивается экранирующее действие обращенной к изделиям части ее витков на остальные витки. На практике установлены вполне определенные соотношения. Наиболее распространены спиральные нагреватели на керамических трубках.

Устройство предназначено для контроля и регулирования температуры в нагревательной печи где используются проволочные нагревательные элементы. Исходя из прямого назначения, ИМ имеет два режима:

- рабочий режим или преобразования энергии;

- нерабочий режим (отсутствие преобразования).

Температура нагревателей при двухпозиционном регулировании колеблется в значительных пределах. В момент включения печи температура нагревателя начинает быстро расти, в момент отключения падать. Рост температуры ИЭ идет в начале цикла весьма быстро, затем замедляется и к моменту отключения почти прекращается. Это объясняется тем, что инерция нагревателей настолько мала, что за время включенного состояния регулятора, хотя это время длится десятки минут, они успевают нагреться до температуры установившегося режима, т.е. определяемой уравнением теплопередачи нагреватель садка, составленным для номинальной мощности печи. Следовательно, именно для этой номинальной мощности и должно составляться уравнение теплопередачи при расчете нагревателей печи.

Схема подключения нагревательного элемента показана на рисунке 7.

Рисунок 7 - Силовая часть устройства

4.5 Выбор разрядности обработки данных

4.5.1 Баланс ошибок

При разработке системы необходимо обеспечить выполнение баланса ошибок. Баланс ошибок отражает влияние ошибок, вносимых каждой из основных частей, на общую ошибку системы [3]. Как правило, ошибки системы и отдельных ее частей указываются в виде среднеквадратических значений.

Если ошибки, вносимые основными частями, независимы, то баланс ошибок в системе описывается выражением:

где у_з, у_у, у_о - ошибка задающей, управляющей и объектовой частей;

у_з - зависит в основном от погрешности датчика и погрешности АЦП и принимается равной 0,15;

у_у - определяется двоичным представлением чисел и алгоритмом обработки информации и равна 0,1;

у_о - включает в себя инерционность нагревательного элемента и принимается равной 0,2.

Тогда:

где Д =1⁰С - заданная погрешность. Таким образом, баланс погрешностей при указанных условиях выполняется.

4.5.2 Баланс надежности

Надежность - это способность системы выполнять заданные функции в течение требуемого интервала времени при соблюдении определенных условий эксплуатации и норм технического обслуживания. Баланс надежности оценивается по формуле:

где Н₃ - вероятность бесперебойного функционирования задающей части;

Н_о - вероятность бесперебойного функционирования объектовой части;

Н_у - вероятность бесперебойного функционирования управляющей части.

Исходя из того, что срок безотказной работы датчиков 5 лет, микросхем - 5 лет, сопротивлений, конденсаторов и полупроводниковых элементов до 10 ч 15 лет , то распределение вероятности безотказной работы приближается к экспоненциальному закону. Приближенный график зависимости H(t) показан на рисунке 8.

Рисунок 8 - График зависимости H(t)

4.5.3 Разрядность обработки данных

Величина разрядной сетки, с одной стороны, влияет на точность контролируемых и управляемых переменных, с другой стороны - на стоимость автоматизированной системы управления. Поэтому одним из критериев выбора микроконтроллера является обеспечение заданной точности, по возможности, минимальной длиной разрядной сетки. Определение разрядности можно осуществлять, исходя из точности измерения входных данных. Пусть некоторая входная величина б₀ измеряется с погрешностью Дб₀.

Если б₀ изменяется от 0 до б_0m, то масштаб единицы младшего разряда определяется как

.

Ошибка представления непрерывной величины б₀ будет

Можно показать, что при достаточно общих предположениях о законе распределения величины б₀+Дб₀ ошибка представления Дб₁ является случайной и подчинена закону равной вероятности

Для выбора величины h можно принять условие, состоящее в том, что средняя квадратическая ошибка представления должна быть меньше средней квадратической ошибки измерения величины б₀, т.е. у_Дб1<у_Дб0 или у_Дб1=kу_Дб0, где 0<k<1.

Известно, что

, тогда .

С учетом значения h получим:

или .

Отсюда

.

Для оценки точности измерений можно принять к=1/3. Тогда:

.

Таким образом, выведенные формулы позволяют связать требуемую длину разрядной сетки с точностью измерения входных данных.

Для сохранения точности в процессе вычислений необходимо увеличить длину разрядной сетки на некоторое количество двоичных разрядов n_в (4-5 разрядов), т.е. . Наличие дополнительных двоичных разрядов n_в позволяет скомпенсировать вычислительную погрешность, возникающую в ходе вычислительного процесса за счет выполнения операций в конечной разрядной сетке.

Исходя из технического задания (а именно из рабочего диапазона температур и величины погрешности), определяем разрядность обрабатываемых данных:

Дб₀=±0,41^oC - погрешность измерения; 0<б₀<+1000°С диапазон изменения температуры, б_0m=1000°C - максимальный предел изменения температуры. Тогда требуемая длина разрядной сетки равна:

С учетом дополнительных двоичных разрядов n_в примем разрядность кратную байту, т.е. n=16.

Таким образом, для выполнения заданного технического задания потребуется разрядность обработки данных n=16.

4.6 Оценка объема программной памяти

Предположим, что все логические, арифметические команды и команды пересылок МК (будем называть их простыми) занимают 2 байта, а команды условных и безусловных переходов (будем называть их сложными) - 3 байта. Анализируя вышеприведенные алгоритмы работы устройства можно сказать следующее:

- на общий сброс потребуется около 14 простых команд;

- на вызов процедур ввода уставки - две сложных команды;

- процедура ввода уставки вместе с синхронной (после любого изменения значения) индикацией включает около 160 команд, 50 из которых являются сложными;

- процедура задержки на 1 минуты вместе с ее вызовом занимает 20 команд, из которых 5 команд - сложные;

- считывание данных с АЦП и формирование регистра - 35 простых команд;

- обработка данных, сравнение результата и уставки - около 15 простых команд и 5 сложных.

Объем требуемой программной памяти можно рассчитать по формуле:

Просуммировав, получим: байт.

Из-за несовершенства алгоритма увеличим полученный объем в два раза. Тогда байт.

4.7 Оценка объема памяти данных

В память данных входят все данные, которые необходимо хранить во время работы устройства. Количество таких данных примерно равно 20. Каждый величина занимает 2 байта из-за большой разрядности исходных данных. Следовательно, на их хранение необходимо байт.

4.8 Выбор типа АЦП

В качестве АЦП выбираем микросхему AD 7880 [5] фирмы ANALOG DEVICES удовлетворяющую всем требованиям приведенным выше. На рисунке 9 приведена функциональная схема АЦП. На рисунке 10 приведены временные диаграммы работы AD7880. Основные характеристики АЦП AD7880.

Рисунок 9 - Функциональная схема АЦП

Рисунок 10 - Временные диаграммы работыАЦП

Максимальное время преобразования 12 мс.

Допустимое входное напряжение от О В до +5В.

4.9 Расчет требований к быстродействию микроконтроллера

Количество команд программы составляет около 700. Цикл преобразования выбранного АЦП составляет 15 мс. Т.е. до момента получения следующего оцифрованного значения уставки есть в запасе около 10 мс. За это время микроконтроллер должен успеть выполнить свою задачу (программу) хотя бы 5 раз, т.к. датчик может выйти из строя в любой момент. Следовательно, для работы микроконтроллера выделяется 2 мс. Разделив это время на количество команд, которое он должен выполнить, получим время, за которое должна выполняться одна команда. 2мс/700=3мкс. В среднем команда выполняется за два-три такта, поэтому полученное время нужно уменьшить в 3 раза. Значит, длительность одного такта равна 3мкс/3=1мкс. Для этого тактовая частота микроконтроллера не должна быть меньше 1сек/1мкс=1МГц.

4.10 Выбор базового микропроцессорного комплекта

В техническом задании задана база для построения системы однокристальная микроЭВМ. Необходимо подтвердить целесообразность использования ОМЭВМ при разработке данного устройства.

Несмотря на непрерывное развитие и появление все новых и новых 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка и по сей день остается за 8-разрядными устройствами. Согласно данным компании Semiko Research Corp., Phoenix, в 1996 году общий мировой объем продаж микроконтроллеров всех типов составил $11,4 миллиарда, при этом $5,56 миллиарда (или 48,6%) пришлось надолго 8-разрядных кристаллов. Это в 2,5 раза больше объема продаж ближайших конкурентов: 16-разрядных микроконтроллеров ($2,1 млрд.) и DSP ($2,4млрд.). По всем прогнозам аналитических компаний на ближайшие 5 лет лидирующее положение 8-разрядных микроконтроллеров на мировом рынке сохранится.

Среди всех 8-разрядных микроконтроллеров семейство 8051 является несомненным чемпионом по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации.

Для выбора контроллера используемого в устройстве произведен анализ основных рабочих характеристик некоторых типов PIC-контроллеров и однокристальных микроЭВМ.

Для выбора контроллера используемого в устройстве проведем анализ некоторых типов PIC контроллеров и однокристальных микроЭВМ. Основные рабочие характеристики представлены в таблице 2.

Таблица 2 Основные рабочие характеристики

Серия	PIC16 С5х	PIC16 С71	PIC16 С84	80С31х	80С51	80С515	PIC Atmega 603
Кол-во линий Ввода-вывода	12...20	13	13	32	32	56	48
Встроенное АЦП	нет	8 бит	Нет	Нет	Нет	8 бит	10 бит
Потребляемый ток, мА	5...20	0,015...2	0,05...2	5...25	5...20	35...46	1,2...3
Температурный режим работы	0...70	-40... 70	-40... 70	-40... 85	-40... 85	-40... 85	-40... 85
Стоимость, усл.ед.	2,5	5	2,75	3,2	3	13	18
Рабочая частота, МГц	0...20	0...4	0...10	3,5...33	1...12	3,5...20	0...6
Количество таймеров/ Счетчиков	1 8 бит	1 8 бит	1 8 бит	2 16 бит	2 16 бит	3 16битттт	2(8бит) 1 (16бит)
Время выполнения одной операции	200нс	200нс	400нс	1мкс	1мкс	1мкс	400нс
Входные Данные, бит	8	8	8	8	8	8	8

Основные аппаратные ресурсы устройства:

Минимально необходимое количество линий ввода/вывода - 30;

Входные данные - 8 бит;

Количество используемых таймеров - 2;

Максимальное время выполнения одной операции - 1мкс;

Обеспечение минимальной потребляемой мощности;

Расширенный температурный режим;

Минимальная стоимость.

Всем перечисленным выше требованиям полностью удовлетворяет только два контроллера: это однокристальная микроЭВМ 80С31х и 80С51, но цена и потребляемая мощность второго немного меньше. Остальные контроллеры имеют существенные недостатки, например: количество линий ввода/вывода в рассмотренных PIC-контроллерах значительно меньше, чем необходимо, нет достаточного количества таймеров. Для достижения высоких показателей надежности, экономичности, габаритных размеров, уменьшения аппаратных затрат выберем однокристальную микроЭВМ Intel 80C51.

Описание МК I 80C51

Структуру 80С51 составляет 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. Максимальная частота работы микроконтроллера - 12 МГц.

Арифметико-логическое устройство

8-битное АЛУ может выполнять арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления, логические операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, а также операции циклического сдвига, сброса, инвертирования и т.п. В АЛУ имеются программно недоступные регистры Т1 и Т2, предназначенные для временного хранения операндов, схема десятичной коррекции и схема формирования признаков. Простейшая операция сложения используется в АЛУ для инкрементирования содержимого регистров, продвижения регистра-указателя данных и автоматического вычисления следующего адреса РПП. Простейшая операция вычитания используется в АЛУ для декрементирования регистров и сравнения переменных. Простейшие операции автоматически образуют «тандемы» для выполнения в АЛУ таких операций, как, например, инкрементирование 16-битных регистровых пар. В АЛУ реализуется механизм каскадного выполнения простейших операций для реализации сложных команд. Так, например, при выполнении одной из команд условной передачи управления по результату сравнения в АЛУ трижды инкрементируется счетчик команд (СК), дважды производится чтение из резидентной памяти данных (РПД), выполняется арифметическое сравнение двух переменных, формируется 16-битный адрес перехода и принимается решение о том, делать или не делать переход по программе. Все перечисленные операции выполняются в АЛУ всего лишь за 2мкс. Важной особенностью АЛУ является его способность оперировать не только байтами, но и битами. Отдельно программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены, инвертированы, переданы, проверены и использованы в логических операциях. Для управления объектами часто применяются алгоритмы, содержащие операции над входными и выходными булевскими переменными (истина/ложь), реализация которых средствами обычных микропроцессоров сопряжена с определенными трудностями. Таким образом, АЛУ может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевскими (1бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В АЛУ выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования « операция/режим адресации» базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

Резидентная память

Память программ и память данных, размещенные на кристалле 80С51 физически и логически разделены, имеют различные механизмы адресации, работают под управлением различных сигналов и выполняют различные функции. Память программ (ПЗУ или СППЗУ) имеет емкость 4 Кбайта и предназначена для хранения команд, констант, управляющих слов инициализации, таблиц перекодировки входных и выходных переменных и т.п. Резидентная память программ (РПП) имеет 16-битную шину адреса, через которую обеспечивается доступ из счетчика команд или из регистра-указателя данных. Последний выполняет функции базового регистра при косвенных переходах по программе или используется в командах, оперирующих с таблицами.

Память данных

(ОЗУ) предназначена для хранения переменных в процессе выполнения прикладной программы, адресуется одним байтом и имеет емкость 128 байт. Кроме того, к адресному пространству РПД примыкают адреса регистров специальных функций (РСФ).

Нагрузочная способность портов

Выходные линии портов 1, 2 и 3 могут работать на одну ТТЛ- схему. Линии порта 0 могут быть нагружены на два входа ТТЛ - схемы каждая. Линии порта 0 могут работать и на п - МОП - схемах, однако при этом их необходимо подключать на источник электропитания через внешние нагрузочные резисторы за исключением случая, когда шина порта О используется в качестве шины адреса/данных внешней памяти. Входные сигналы для 80С51 могут формироваться ТТЛ - схемами или п- МОП схемами.

4.11 Синтез принципиальной схемы

Принципиальная схема представлена в приложении J.

Микропроцессор является узлом выполняющим математические операции и управляющим остальными элементами. Данные поступающие с датчиков преобразовываются в АЦП 8 бит из них поступают в мультиплексор. В мультиплексор поступают так же сигналы с кнопок, переключение происходит при поступлении сигнал а от кнопки «рабочий режим включен». При включенном рабочем режиме поступают данные от АЦП при отключенном сигналы от кнопок. От мультиплексора данные поступают в порт Р1. Оставшиеся 3 бита от АЦП поступают в порт РО. порт РЗ используется для выдачи и принятия служебных сигналов. Порт Р2 используется совместно с портом Р1 для индикации уставки. Элементы сравнения используются для сравнения 9 бит от двух АЦП при различии данных выдается сигнал о аварии. Уставка индицируется на трех семисегментных индикаторах. Коммутация печи происходит при подаче от микроконтроллера сигнала на симистор который управляется током. Для достижения необходимого значения тока применяется транзистор.

5. Технико-экономическое обоснование

Для получения результата в виде устройства регулирования температуры в тепловой печи необходимо было: провести обзор литературы и непечатных источников, разработать схему электрическую принципиальную, создать алгоритмическую модель системы и реализовать алгоритм на языке программирования.