Информационно-измерительные системы контроля транспорта нефти

Таблица 3.4 – Основные технические характеристики микросхемыMAX13410Скорость (макс.),МБод1 ИнтерфейсRS-422 Tx,шт1 Каналов,шт1 Rx,шт1 VISO,В2500 Устройств на шине256 Rx/Tx EnableДа tPHL (макс.),нс895 ESD защита,кВ15 tPLH (макс.),нс895 VCC,Вот 3 до 5.5 ICC,мА29 TA,°Cот -40 до 85 КорпусSOIC-28Рисунок 3.10 – Структурная схема MAX13410Микросхема MAX13410 включает в себя один дифференциальный драйвер управления сетью, один приемник, а также внутренние схемы для коммутации сигналов в соответствии со стандартом RS-485. Сопротивление микросхемы составляет 1/8 от стандартного сопротивления единичной нагрузки, что позволяет подключить до 256 устройств на одной шине.Входы микросхемы имеют защиту от высоковольтных импульсов (до ± 5 кВ).Рисунок 3.11 – Цоколевка микросхемыMAX13410Микросхема MAX13410 имеет защитную схему ограничения скорости нарастания сигнала, что эффективно снижает электромагнитные помехи. Поддерживается возможность «горячего» подключения устройств к сети.3.5 Выбор пьезоэлектрические ПЭПОсновное требование к пьезоэлектрическим излучателям для ультразвукового расходомера топлива ВС – сохранение рабочих свойств во всем диапазоне изменения характеристик топлива (температура, плотность и т.д.) во время полета.Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП 3-4 (ПЭП 3-1, ПЭП 3, и т.п.) предназначены для создания в жидкостях ультразвуковых колебаний, их приема с последующим преобразованием в электрический сигнал в составе ультразвуковых счетчиков жидкостей и тепла.Рисунок 3.12 – Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП 3-4Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП 3-4 используются для комплектации счетчиков воды, жидкостей, тепла, а также для ремонта узлов учета энергоносителей на базе ультразвуковых расходомеров время-импульсного принципа действия, а также в новых разработках ультразвуковых расходомеров воды, нефтепродуктов или других жидких сред.Отличительные особенности и преимущества:диапазон рабочих температур от -60 до +200 0С;давление жидкости до 6,3 Мпа;высокая чувствительность. Капсулирование пьезоэлемента в композиционный материал позволяет при эксплуатации УЗ датчика ПЭП сохранить постоянную амплитудно-частотную характеристику, поскольку не требует постоянного поджима элементов преобразователя. Чувствительность и длительность с крутым формируемым импульсом сохраняются при вибрационных нагрузках, индустриальных шумах, грохоте, свисте и т.д.;пьезоэлектрические преобразователи ПЭП отличаются повышенной надежностью и простотой конструкции. Обеспечивают высокую степень акустического согласования с объектом контроля, имеют акустический (электрический) сигнал высокой крутизны и малой длительности, не искаженный акустическими помехами. удобное соединение и подключение. Используются высокопрофессиональные промышленные разъемы HIRSСHMANN (Германия). Надежная фиксация вилочной и розеточной частей с помощью винта позволяет работать в условиях повышенной вибрации. Исключается операция пайки. Имеют в подключенном состоянии степень защиты IP67.Таблица 3.5 – Возможные исполнения датчиков ПЭПНаименованиеОписаниеДатчик УЗ ПЭП 3-4УЗ Датчик - титан, удобный разъем HIRSСHMANN (Германия), пылевлагозащита IP67, Р макс 6.3 МПа, Т макс 180 ºС, на ДУ 25, 80-2000 мм. Датчик УЗ ПЭП 6-1 с гайкойУЗ Датчик - титан, цанговый разъем, с гайкой, ремкомплект на малые Ду 15, 32-65 мм, Т макс 180 ºС Датчик УЗ ПЭП 3-4 УУЗ Датчик - титан, с усиленным выходным сигналом для сложных условий эксплуатации Датчик УЗ ПЭП 3-4 IP68УЗ Датчик - титан, пылевлагозащита IP68 для работы в залитых колодцах, на глубине, в земле. Герметичен. Т макс 170 ºС Датчик УЗ ПЭП 3-1 (+200°С)УЗ Датчик - титан, цанговый разъем, для высокотемпературных жидкостей, Т макс 200 ºС Датчик УЗ ПЭП 3-1-Ф УЗ Датчик - титан, покрытый фторопластом, для агрессивных сред (кислот, щелочей), Т макс 120 ºС, на ДУ 25, 80-2000 мм. 4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА4.1 Расчет принципиальной схемыПодробное описание использованных элементов было дано в предыдущем разделах.Для питания микроконтроллера используется напряжение +5В.В схеме для задания частоты используется встроенный в микроконтроллер генератор частоты 1МГц.Включение всех микросхем, используемых в данной схеме, проводилось в соответствии с рекомендациями datasheet. Номиналы элементов обвязки также взяты из описания микросхем.Микроконтроллер ATmega48 имеет ограничение по суммарному току, протекающему через любой вывод питания, составляющий 300 мА. Максимальный ток через любой другой вывод не должен превышать 40 мА. На рисунке 4.1 Представлена типовая схема подключения микросхемы FT232R к порту USB. Как можно видеть по данному рисунку, при таком подключении питание микросхема получает по шине USB. При питании от USB ток потребления не должен превышать 100 мА на одно устройство. Компоненты с током потребления более 100 мА должны подключаться через отдельный стабилизатор. Для управления питанием других компонентов схемы в FT232R предусмотрен вывод "PWREN". "PWREN" подключается в затвор МОП-транзистора ключа и с его помощью подключает и отключает питание компонентов схемы. [7] Встроенная схема формирования сигнала сброса генерирует импульс длительностью около 5 мс при превышении напряжением питания уровня 3,5 В. Сигнал сброса используется для внутренних цепей FT232R и имеет дополнительно: вход "RESET" для принудительного сброса микросхемы преобразователя от внешнего устройства и выход "RSTOUT" для сброса других микросхем на плате. Рисунок 4.1 – Подключение микросхемы FT232R к порту USBМикроконтроллер имеет ограничение по суммарному току, протекающему через любой вывод питания, составляющий 300 мА. Максимальный ток через любой другой вывод не должен превышать 40 мА[10]. Для защиты выходных линий контроллера используем токоограничивающие резисторы. Из [11] предельный ток вывода контроллера равен 10 мА(4.1)Нормирующий усилитель выполним на операционном усилителе К140УД7, который имеет следующие параметры:- дифференциальный коэффициент усиления ;- удельный температурный дрейф напряжения смещения равен ;- температурный дрейф разности входных токов равен ;- номинальное напряжение питания .- ;- .Рассчитаем требуемую мощность для 1 блока питания:Потребление микроконтроллера ATMega 164 при частоте работы 16 МГц составляет 9 мА. Следовательно, потребляемая мощность равна: мВт,(4.2)где –потребляемый ток микросхемы– напряжение питанияПотребление ИМС составляет 53 мА, следовательно потребляемая мощность равна: мВт,(4.3)где – ток потребления микросхем.Потребление блока индикации в максимальном режиме : Вт,(4.4)– ток потребления ЖК индикатора я подсветкой.Суммарная потребляемая мощность равна:мВт.Максимальный выходной ток стабилизатора мА,(4.5)где – суммарная потребляемая мощность.Так как в режиме ожидания основной потребитель энергии – микроконтроллер и система индикации, а он автоматически переводится в режим пониженного энергопотребления и потребляет ток менее 1 мкА, поэтому механический выключатель питания использоваться не будет.Расчёт стабилизатора напряженияЗададимся параметрами блока питания (БП):– Напряжение на выходе БП – UВЫХ1 = 5 В;– Номинальный ток нагрузки БП – IН1 = 0,1 А;– Нестабильность входного напряжения БП – δUВХ = 0,25;– Нестабильность выходного напряжения– δUВЫХ = 0,02;– Уровень пульсации на выходе – UПУЛ = 2 мВ;В данном случае целесообразно использовать схему блока питания построенную на основе интегрального стабилизатора LM 7805, представленную на рисунке 4.2.Рисунок 4.2 – Схема включения микросхемы LM 7805Рабочее напряжение выбранных конденсаторов должно превышать Uвхном как минимум в 1,4 раза.К50-35 С1 = 100 мкФ 50 В.Также в схеме используются следующие конденсаторы:С2 = 0,1 мкФ (SMD), С3 = 10 мкФ (SMD)4.2 Расчет технологических параметровИнженерный расчет технологических параметров системы измерения на этапе проектирования позволяет определить уровень соответствия надежности разрабатываемого изделия заданным в ТЗ требованиям.Требования по надежности обычно задаются значением одного или нескольких показателей:средней наработки на отказ Тср;вероятности безотказной работы в течение заданного временикоэффициента готовности Кг.Количественными оценками надежности обычно служит вероятность безотказной работы средств измерения, средняя наработка на отказ, интенсивность отказов.Под средней наработкой на отказ понимают среднее время, которое прибор проработает до отказа.Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что в определенных условиях в пределах заданной продолжительности работы отказов не возникает.Так, как внезапные и постепенные отказы независимы, тогде: -вероятность безотказной работы по отношению к внезапным отказам за время t, при условии, что внезапных отказов не было;-вероятность безотказной работы;Произведем расчеты интенсивности отказов (БЛ, час-1), средней наработки на отказ (час) и вероятности безотказной работы Р(t) для платы баровысотомера.Данные о надежностных характеристиках элементов сведем в табл. 3.6. 3. Интенсивность отказов платы вычисляется по формуле:,где Ni – количество элементов, i – интенсивность отказов элемента. Учет влияния неблагоприятных факторов на надежность осуществляется с помощью поправочных коэффициентов при расчете рабочей интенсивности отказов каждого элементагде 0i – интенсивность отказов при нормальных условиях и номинальном режиме работы; Кмех, Квл, Кдавл -поправочные коэффициенты, учитывающие влияние механических нагрузок, влажности и пониженного давления на интенсивность отказов элементов; t- поправочный тепловой коэффициент, учитывающий влияние электрической нагрузки и температуры окружающей среды. Результаты расчета рабочих интенсивностей отказов элементов системы сведены в таблицу.Таблица 4.1– Расчет надежности устройства№Наименование типа элементовЧисло элементовniНоминальная интенсивность λ0i(10-6 1/час)К=Кмех Квл КдавРежим эл. нагрузкиИнтенсивностьс учетом поправочных коэффициентов λр (10-6 1/час)tКнаг1Конденсатор керамический131,41,80,60,70,243,3022082Конденсатор электролитический22,41,80,650,60,642,1565443Резисторы непроволочные120,51,80,50,50,423,49654Транзисторы631,80,50,30,41,9444Микросхемы цифр30,21,80,50,50,81,656Микросхемы аналог20,81,80,30,70,81,451525Соединение штепсельное60,0021,80,60,30,30,00116646Индикаторы31,31,80,40,50,20,28087Тумблеры40,061,80,50,50,30,0324Подставляя в формулу данные из таблицы 3.4. получаем:БЛ = 14,3210-6 час-13. Средняя наработка на отказ:,Т = 69826,75 часов.3. вероятность безотказной работы за время t, равное 5000 часам равно:,P(t) = 0,97 > =0,95Таким образом, расчет показал, что требования по надежности, предъявляемые к разрабатываемому прибору, выполняются.4.3 Разработка конструкцииВыбор и обоснование компоновочного решенияРазрабатываемая конструкция устройства должна соответствовать заданным требованиям: необходимо обеспечить технологичность конструкции, минимизировать экономические затраты, а также предусмотреть возможность замены компонентов на аналогичные, в случае прекращения их выпуска.Основная задача при разработке конструкции цифровой системы контроля и измерения – снизить влияние на качество измерения сигналов. Для достижения этого предприняты следующие меры:Уменьшена длина дорожек аналогового сигнала.«Вывод "земли" АЦП соединен с общим проводом только в одной точке.Аналоговые и цифровые дорожки разнесены на максимальное расстояние.Источники питания также удалены друг относительно друга.Поскольку схема измерения работает на высокой частоте, то любой проводник, проводящий высокочастотные колебания является излучателем, который может влиять на работу других компонентов схемы. Следовательно,все дорожке на плате, передающие высокочастотный сигнал должны иметь минимальную длину, а компоненты обработки питания, подключенные к данной дорожке, должны быть наиболее плотно сгруппированы. Разработка печатной платы системыРаботы по проектированию и трассировке печатной платы системы контроля выполняются при помощи ПО P-CAD2006. Разобьём процесс работы с САПР P-CAD на последовательность из следующих действий:1. Создание библиотеки используемых элементов РЭА;5. Ввод принципиальной электрической схемы;3. Подготовка схемы к проектированию ПП;5. Размещение элементов РЭА по полю конструктива;5. Автоматизированная трассировка соединений ПП.В данном случае используемая библиотека содержит необходимые элементы, используемые при проектировании РЭА.На рисунке 4.1 представлен процесс ввода принципиальной электрической схемы в программе Schematic.Рисунок 4.1 –Схема электрическая принципиальной проектируемого устройстваНа рисунке 4.2 представлено окно параметров элемента (PartProperties) резистора R5.Для элемента могут быть указаны следующие параметры:Порядковый номер и тип (RefDes) – R5;Номинал (Value) – 1.2 кОм;Тип элемента (Type) – резистор С2-33H-0,125;Используемая библиотека элементов (Library);Рисунок 4.2 – Окно параметров элемента (PartProperties)Далее необходимо перенести данные из программы Shematic в программу PCB, которая позволит провести размещение элементов и трассировку ПП. Выполнить это можно с помощью команды Utils – GenerateNetList (Рисунок 4.3)Рисунок 4.3 – Создание списка соединенийПосле размещения ЭРЭ приступаем к трассировке, т.е. к прокладке необходимых линий соединений (проводников) между контактными площадками. Рассмотрим данный процесс более подробно.Трассировку печатной платы можно выполнить вручную и с помощью автотрассировщика. Для ручной трассировки в системе PCAD предлагаются инструменты, которые условно можно разделить на три группы:- инструменты для ручной трассировки- инструменты интерактивной трассировки- специальные инструментыНа рисунке 4.4 представлены результаты работы по трассировке ПП схемы измерения.Рисунок 4.4 – Сборочный чертеж платы устройстваКогда работа с автотрассировщиком полностью завершена, необходимо вернуться в программу PCB, для этого выполнить: FileSaveandReturn. Все результаты трассировки средствами программы PCADShapeRoute будут перенесены в программу PCB, в которой можно продолжить работу над проектом, в частности воспользоваться любыми приёмами корректировки. [2]В данном проекте при разработке топологии печатной платы технологический контроль помог обнаружить: узкие места и нарушения установленных зазоров. Коррекция топологии была произведена, ошибки исправлены.5. Разработка программного обеспечения5.1 Разработка алгоритма работыНа рисунке 5.1 представлена блок схема алгоритма работы микроконтроллера ультразвукового расходомера.В блок-схеме применены условные обозначения:N – счетчик выборок, переменная в которой хранится текущее количество сделанных выборок;K – счетчик времени.При подаче питания микроконтроллер инициализирует порты ввода-вывода, переводя их в высокоимпедансное состояние, производит настройку и запуск таймера. Таймер отсчитывает время между переданным и полученным ультразвуковым импульсом. После измерения временных интервалов происходит обработка результатов – вычисление расхода жидкостии вывод результата измерения на экран. Функция обработки запросов по интерфейсу UART-USB реализована в виде подпрограммы обработки прерываний (Рисунок 5.3)После сохранения измеренных значений происходит возврат в основную программу.Рисунок 5.1 – Блок схема работы системыРисунок 5.2 – Блок схема подпрограммы таймераРисунок 5.3 – Блок схема подпрограммы приема данных5.2 Интегрированная система разработки AVRStudioAVRStudio – это интегрированная отладочная среда разработки приложений для 8-разрядных RISC – микроконтроллеров семейств AVR (Tiny, Classic, Mega). Версия AVRStudio 4 объединяет средства управления проектами, текстовый редактор, Ассемблер и отладчик программ на языках Си и Ассемблер. Таким образом, AVRStudio 4 поддерживает проектировщика на стадиях разработки, отладки и верификации программного обеспечения. Кроме того, AVRStudio 4 поддерживает аппаратную платформу STK500, которая позволяет программировать все устройства AVR, и внутрисхемные эмуляторы ICE40, ICE50, ICE200, JTAGICE.Описание: Atmel Studio 6 позволяет осуществлять разработку и отладку на платформах AVR, AVR32 и ARM, поддерживает большое количество средств программирования и отладки для этих платформ, содержит встроенный компилятор С/С++ (GNU GCC).Рисунок 5.4 – Внешний вид программы AVRStudioПрограмма работы микроконтроллера написана на языке С++ восьмиразрядных RISC микроконтроллеров семейства AVR фирмы ATMEL . ЗАКЛЮЧЕНИЕВ ходе выполнения выпускной работы былоразработано устройство системы контроля транспорта нефти.Основная цель использования ультразвуковых уровнемеров – повышение точности и надежности систем измерения, а также автоматизации технологических процессов управления. Измерение скорости потока нефтепродуктов позволяет контролировать протекание различных технологических процессов на производстве, возможные ошибки в работе системы измерения уровня жидкости. При проектировании данного устройства использовалась современная элементная база, а также применялись последние достижения проектирования электронных систем.Данное устройство отличается высокой надежностью, что является следствием отсутствия подвижных деталей и механизмов, защитой от импульсных помех высокого напряжения, наличием ЖК индикатора и интерфейсов связи для вывода результатов измерений и настройки. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫЛобачев П.В., Шевелев Ф.А. Измерение расхода жидкостей и газов в системах водоснабжения и канализации. — М.: Стройиздат, 1985 – 424 с.Киясбейли А.Ш. Лифшиц Л.М. Первичные преобразователи систем измерения расхода и количества жидкостей. — М.: Энергия, 1993. — 704 с.Боднер В.А., Фрилиндер Г.О., Чистяков Н.И., «Авиационные приборы» М.: Оборонгиз, 1998. – 512 с.Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR–микроконтроллеров.: Пер. с нем.– Киев.: «МК-Пресс», 2006. – 208с.; ил.Кравченко А.В. 10 Практических устройств на AVR-микроконтроллерах. Книга 1 – М.:Издательский дом «Додэка-XXI», Киев «МК-Пресс», 2008.–224с.; Ил.Кестер У. Аналогово-цифровое преобразование: Под ред. У. Кестера М.: Техносфера, 2007. 1016 с.; ил.Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств.– М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.–528 с.ATMEL 48-разрядный AVR-микроконтроллер ATmega 48. datasheet.–atmel, june 2005.– режим доступа: http://atmel.ru.MAX 13410E. RS-485 Transceiver. datasheet.– maxim, october 2007.Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. –М.: Высшая школа, 1988. – 448 с.Васьковский А.М., Максимычев О.И., Маврин А.Б., Литвинов Л.А. Программирование микроконтроллеров AVR (Atmel). Учебное пособие. М. Московский автомобильно-дорожный институт, 2008. — 96 с.Николайчук О.И. Современные средства автоматизации. М.: СОЛОН-Пресс, 2010. 256 с. Нсанов М. Цифровые устройства. Учебник для колледжей 2018. — 400 с.: 284 ил. — ISBN 9785449318817.Гудко Н.И. Синтез цифровых устройств циклического действия М.: Горячая линия – Телеком, 2014. — 96 с.: ил. — ISBN 978-5-9912-0427-9.Белов А. В. Разработка устройств на микроконтроллерах AVR: шагаем от «чайника» до профи. Книга. — СПб.: Наука и Техника, 2013. — 528 с.: ил. ОСТ 39 112-80. Нефть. Типовое исследование пластовой нефти. Объем исследования. Форма представления результатов.РД 39-1-353-80. Инструкция по определению газовых факторов и ресурсов нефтяного газа, извлекаемого из недрРД 39-132-94 Правила по эксплуатации, ревизии, ремонту и отбраковке нефтепромысловых трубопроводовДятлова Е.П. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами. Учебно-методическое пособие. — Санкт-Петербург: ВШТЭ СПбГУПТД, 2019. — 68 с.Ёлшин Ю.М. Инновационные методы проектирования печатных плат на базе САПР Р-CAD 200х М.: Солон-Пресс, 2016. — 464 с. — ISBN 978-5-91359-196-8.Бохан С.Г., Каштальян И.А. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов Минск : БНТУ, 2013. - 23 с. Основы конструирования и технологии производства. РЭС: учебное пособие / Е. И. Кротова ; Яросл. гос. ун-т им. П. Г. Демидова. – Ярославль : ЯрГУ, 2013. – 192 с.Прокофьев Е.В. Системы автоматизации и управленияУчебное пособие. — Екатеринбург: Уральская государственная горно-геологическая академия, 2014. — 118 с. — ISBN 5-8019-0047-0.Расчетно-графическая работа - Общие сведения о проектировании электроэнергетических систем, электроснабжения объектов и САПР. Работа в AutoCAD СНУЯЭиП (г.Севастополь, Украина) 2013.- 17 с.Сеньков А.Г. Микропроцессорная техника систем автоматизации. Курсовое проектирование. Учебно-методическое пособие. — Минск: Белорусский государственный аграрный технический университет, 2019. — 96 с. Сурина Н.В. САПР технологических процессов. Учебное пособие. — М.: МИСиС, 2016. — 104 с. — ISBN 978-5-87623-959-4.Техническое описание.Модуль ввода аналоговый измерительный МВА8. https://insat.ru/products/owen/re_mva.pdf. Электронный ресурс. Дата обращения 20.10.2019 г.Харрисон Л. Источники опорного напряжения и тока. Серия "Схемотехника" – М.: НТФ "Энергопрогресс", 2015 г.Шпак Ю.А. Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеровК.: "МК-Пресс", СПб.: "Корона-Век", 2015. - 544 с. - 2-е изд.Datasheet MT–16S2H. http://files.amperka.ru/datasheets/MT-16S2H.pdf. Электронный ресурс. Дата обращения 5.02.2020 г.