Разработка автоматизированной системы управления обжига электродной продукции

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках аналитического и проектного разделов было проведено знакомство с объектом разработки, систематизация сведений по рассматриваемой тематике.
Результатом дипломного проекта является автоматизированная система управления обжига электродной продукции. Методологическую и теоретическую основу исследования составляют практические разработки и концепции авторов по управлению технологического процесса обжига электродной продукции
В ходе выполнения дипломного проекта были проанализированы существующие системы управления, выявлены их достоинства и недостатки.
Разработана структурная и принципиальная схемы устройства, а также произведена разработка программного обеспечения. Также было осуществлено моделирования работы спроектированной системы.
В проекте рассмотрены все стадии ...

Оглавление
Введение 3
Глава 1 Анализ объекта автоматизации 5
1.1 Технологический процесс производства электродной продукции 5
1.2 Варианты автоматизации 7
1.3 Обзор датчиков температуры 11
Глава 2 Расчетная часть 15
2.1 Разработка схемы автоматизированной системы. 15
2.2 Расчёт и выбор средств автоматизации. 17
2.3 Расчет схемы принципиальной 31
2.4 Монтаж системы управления 33
2.5 Расчёт надёжности контроллера. 36
Глава 3 Программная часть 40
3.1 Разработка алгоритма работы 40
3.2 Интегрированная система разработки AVR Studio 44
3.3 Код программы микроконтроллера 51
Глава 4 70
4.1 Моделирование работы системы 70
4.2 Визуализирование системы 71
4.3 Проведение моделирования 74
4.4 Анализ полученных результатов 75
Заключение 77
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 78

ВВЕДЕНИЕ

Среди приоритетных направлений развития экономики России в ХХI веке важное место отводится развитию современных конкурентоспособных предприятий цветной металлургии, позволяющих производить продукцию высокого качества с одновременным снижением затрат энергоресурсов.
К важной отрасли цветной металлургии относится производство электродной продукции, обеспечивающей целый ряд переделов в производстве алюминия, никеля, меди, вольфрама, цинка. Качество электродной продукции определяет важнейшие экономические показатели производства металлов, такие как: расход электроэнергии, расход электродов, удельная производительность печей.
Совершенствование процесса обжига, направленное на увеличение выпуска высококачественной продукции возможно на основе развития научных представлений о ходе про цесса, разработке современных высокоэффективных автоматизированных систем управления и их реализации в производстве. Таким образом, разработка системы управления процессом обжига для повышения показателей качества электродной продукции, обеспечивающей конкурентоспособность производства за счет повышения качества и снижения себестоимости, являются весьма актуальными научно-техническими проблемами.

Целью дипломного проекта является разработка автоматизированной системы управления обжига электродной продукции
Актуальность темы связана с тем, что при проектировании данной системы будут учтены состав оборудования и специфические требования к данному типу оборудования, а также использована современная элементная база.
Практическая значимость работы заключается в том, что проектируемую систему при желании можно модифицировать под другие требования, что позволит при минимальных вложениях времени и средств управлять другими параметрами производства.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• провести описание предметной области;
• провести обзор существующих решений;
• разработать структурную схему системы;
• выбрать элементную базу;
• разработать принципиальную схему системы;
• написать программу для микроконтроллера

Рисунок 2.8. – Функциональная схема АТ89С51После сброса МК старт программы начинается с адреса 0000F – это и есть точка входа.В МК семейства i8051 программа и константы записываются в ПЗУ (постоянное ЗУ, или постоянную память). А для хранения изменяемых данных используется ОЗУ. Для общения с внешними ЗУ в микроконтроллере имеется 16-разрядный регистр DPTR, используемый для чтения данных из ПЗУ и ОЗУ и для записи в ОЗУ. Таким образом, микроконтроллер может использовать адресное пространство до 65536 байт. Преимущество ПЗУ состоит в том, что его содержимое при выключении микроконтроллера не теряется. Есть модели микроконтроллеров, содержащие EEPROM (постоянная память с электрической перезаписью), но запись и чтение производятся не одной командой, а специальной подпрограммой. Для хранения программ могут применяться ПЗУ различных типов. При массовом производстве используются ПЗУ с однократной записью (с «пережиганием»). Повторная запись возможна для ПЗУ со стиранием при помощи ультрафиолетового света или для ПЗУ с электрической перезаписью. Встроенные в микроконтроллер ПЗУ последнего типа удобны еще тем, что в случае необходимости можно запретить чтение записанной в них программы.Внутреннее ОЗУ микроконтроллера имеет ёмкость всего 128 байт. Но адресное пространство у него 8-разрядное, то есть 256 байт. Старшие адреса предназначены для обращения к функциональным регистрам микроконтроллера. Впрочем, у наиболее совершенных моделей этого семейства емкость внутреннего ОЗУ равна 256 байт, но старшие адреса доступны только при косвенной адресации. Начальные ячейки оперативной памяти (32 байт) используются под однобайтовые регистры общего назначения (РОН): R0, Rl, R2, R3, R4, R5, R6, R7. Их физические адреса зависят от содержимого 3 и 4 разрядов регистра PSW (слово состояния процессора). Ещё совокупность всего количества РОН называют сверхбыстродействующим файлом данных.Адреса от 20h до 7Fh программист может использовать по своему усмотрению. Причём от 20h до 2Fh адресного пространства памяти доступ возможен к каждому отдельному биту. Стек в семействе МК i8051 преинкрементный. В момент включения микроЭВМ память данных считается неопределённой.Микроконтроллер типа i8051 работает с данными битового и байтового формата. При обработке данных можно обращаться не только к байтам во всех ЗУ, но и к отдельным битам функциональных регистров или части адресного пространства внутреннего ОЗУ. Есть несколько команд, работающих с данными двухбайтового формата. Часть команд обрабатывает каждый из битов байтовых операндов независимо от информации, содержащейся в других битах. Другая часть команд работает с байтами как с положительными целыми числами. Всего в МК 111 команд, разделённых на 5 групп: команды передачи; команды арифметических операций;команды логических операций;команды передачи управления;команды операции с битами. При наличии отдельно адресуемых битов в пространстве ОЗУ, говорят, что в МК серии i8051 имеется встроенный булевский процессор.В командах обработки информации могут указываться один или два операнда. При явном использовании двух операндов один из них называется источником (source), а второй приемником (destination). Следует обратить внимание на то, что в поле операндов первым записывается обозначение приемника, а вторым – источника. При работе с одним операндом производится чтение операнда, его проверка или изменение и (при необходимости) запись. При работе с двумя операндами производится чтение источника и (при необходимости) приемника, вычисление и (при необходимости) запись результата по адресу приемника. Слова «при необходимости» означают, что необходимость действия определяется типом команды. После выполнения команды обработки информации содержимое слова состояния процессора может измениться в зависимости от результата вычислений. В описаниях команд, которые не осуществляют непосредственную запись в этот регистр, приводятся сведения о влиянии результата выполнения на содержимое отдельных битов PSW.После анализа представленных моделей семейства i8051 в качестве микроконтроллера выбираем микросхему АТ89С51, которая является 8-разрядным КМОП микроконтроллером с Flash ПЗУ.Отличительные особенности:Совместимость с приборами семейства MCS-51TM Емкость перепрограммируемой Flash памяти: 4 Кбайт, 1000 циклов стирание/запись. Напряжение питания 5±20% B Диапазон рабочих частот от 0 Гц до 24 МГц. Группы по частотам: 12 МГц, 16 МГц, 20 Мгц и 24 Мгц Трехуровневая блокировка памяти программ СОЗУ емкостью 128 байтов 32 программируемых линий ввода/вывода Два 16-разрядных таймера/счетчика событий Шесть источников сигналов прерывания Программируемый последовательный канал UART. Устройство управления розжигом и контроля пламени для газовых горелок МЛ 680 / 681 Устройство предназначено для управления системой из одной или двух газовых горелок (основной и дополнительной) и контроля наличия пламени по степени ионизации среды при сгорании топлива. Область применения – котельные установки, печи отжига фарфора и стеклотары, сушильные агрегаты по подготовке шихты и др. Может поставляться совместно с регуляторами температуры моделей МЛ 310/311/312/313/314, которые выпускаются предприятием на протяжении 12 лет и хорошо себя зарекомендовали в сложных условиях эксплуатации в стекольном производстве.Устройство состоит из двух частей: блока управления розжигом и высоковольтной катушки, соединенных между собой высоковольтным проводником. Способ контроля наличия пламени - по ионизации пространства между корпусом основной горелки и контрольным электродом.Рисунок 2.9 – Устройство управления розжигом и контроля пламени для газовых горелок МЛ 680 / 681 В одногорелочной системе цикл розжига инициируется сигналом запуска от внешнего устройства, в двухгорелочной системе цикл розжига первой горелки осуществляется по нажатию кнопки на блоке управления, вторая горелка запускается от внешнего регулятора только при наличии пламени первой горелки и при необходимости стабилизации температурного режима. Имеется два исполнения устройства - со встроенной высоковольтной катушкой розжига и без нее. Устройство разработано на базе новейших средств микроэлектроники ведущих зарубежных фирм. Отличительной его особенностью является то, что в блоке управления встроен микроконтроллер, что позволяет реализовать практически любой алгоритм управления розжигом по желанию заказчика. Главные преимущества устройства: -цифровое управление циклом розжига; - гальваническая развязка каналов управления клапанами подачи газа и высоковольтного канала.    Таблица 2.4 –  Техническая характеристика устройства Количество управляемых горелок, не более 2 Параметры внешнего сигнала управления «сухой контакт» Напряжение высоковольтного сигнала розжига 25 кВ Параметры сигналов управления клапанами ~ 220 В; 0,2 А Параметры сигнала аварийной сигнализации, не более ~/- 400 В; 0,1 АУстройство широко применяется в стекольном производстве при переводе печей отжига стеклотары с электрического отжига на отжиг сгоранием природного газа, чем достигается значительная экономия денежных средств.2.3 Расчет схемы принципиальнойДля удобства расчета целесообразно разбить схему на три части: измерительная, приемопередающая и сетевой блок питания.Расчет измерительной части. АЦП измеряет сигнал в диапазоне от 0 до Vref, де Vref – опорное напряжение АЦП. В качестве источника опорного напряжения может быть использовано напряжение питания АЦП, внешний источник напряжения, либо внутренний источник опорного напряжения 1,1 В. Выберем в качестве источника Vref напряжение питания микроконтроллера.Расчет приемопередающей части.Сопротивление портов микроконтроллера сконфигурированных как вход составляет 100 МОм[6]. Входное сопротивление микросхемы FT232 составляет 5 МОм[8]. Поэтому ими можно пренебречь в расчетах, считая их бесконечно большими.Из [11] выберем номинальный ток диода оптрона мАДля ограничения тока на управляющие выходы контроллера устанавливаем резисторы номиналом 560 Ом.Определим номинал резистора : Ом (510 Ом, ряд Е24) ,Номинал резистора равен .Рассчитаем требуемую мощность для 1 блока питания (питание схемы со стороны микроконтроллера):Потребление микроконтроллера при частоте работы 12 МГц составляет 9 мА. Следовательно, потребляемая мощность равна: мВт.Потребление датчиков составляет не более 0,6 Вт, соответственно общее потребление не превысит 2,4 Вт.Суммарная потребляемая мощность определяется в этом случае потреблением датчиков и не превысит 2,5 ВтМаксимальный выходной ток стабилизатора А.Расчет источника питания. Рассчитаем источник питания с параллельной стабилизацией напряжения. Напряжение вторичной обмотки трансформатора равно 8В (действующие значение). Напряжение стабилизации стабилитрона – В.Напряжение на конденсаторе составит:,где – падение напряжения на диодном мосту.Установим максимальную величину пульсаций выходного напряжения мВ.Определим максимальный ток делителя: А.Рассчитаем емкость конденсатора С1:Ф ( 2200 мкФ).Номиналы резисторов R15 и R16 найдем из соотношений:,;Ом(160Ом, ряд E24),Ом(470Ом, ряд E24).2.4 Монтаж системы управленияДля питания микроконтроллера используется напряжение +5В.Встроенные в микроконтроллер ПЗУ удобны еще тем, что в случае необходимости можно запретить чтение записанной в них программы.Внутреннее ОЗУ микроконтроллера имеет ёмкость не менее 128 байт.Между выводами "XTAL1" и "XTAL2" подключается кварцевый резонатор. Частота кварца выбрана 11 МГц, поскольку высокая рабочая частота необходима для того, чтобы УП успевал выполнять все необходимые действия по поддержке обмена данными. В этом случае обеспечивается обмен данными с минимумом ошибок. Известно из практики, что при использовании кварцевого резонатора такого номинала, значения конденсаторов С1 и С2 следует выбирать в пределах 15-30пФ. Исходя из этого выбираем С1=С2=27пФ. На вход "ЕМА" УП следует подать напряжение питания, что укажет микроконтроллеру на необходимость работы с внутренней памятью программ. Выбираем индикатор SC56-11GWA компании Kingbright, представляющий, по-сути, 7 независимых светодиодов. С помощью него вы можно вывести один разряд числа. Используем несколько индикаторов для вывода больших чисел. Подключения осуществляется через общий катод. То есть контакты, обозначенные как «катод», должны быть соединены с землёй, а на остальные необходимо подавать напряжение, если нужно, чтобы соответствующий сегмент загорелся.На рисунке 2.10 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. Рисунок 2.10 – Подключение микросхемы FT232R к порту USBВстроенная 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. Во время действия сигнала сброс выход "RSTOUT" находится в высокоимпедансном (Z) состоянии, а после окончания сброса на выводе "RSTOUT" устанавливается напряжение 3,3 В. Это позволяет использовать "RSTOUT" для подключения подтягивающего (pull-up) резистора на линию DP USB шины при необходимости применения задержанной энумерации (задержки при подключении и идентификации устройства).При подключении к хосту нескольких устройств на базе FT232R каждому из них назначается свой виртуальный COM порт, а серийные номера, VID и PID USB, строки с кратким описанием устройства должны быть предварительно запрограммированы в ЭСППЗУ. Программирование памяти осуществляется непосредственно в схеме по USB интерфейсу с помощью специальной утилиты, которая можно скачать с сайта производителя.Основная задача при разработке конструкции – снизить влияние на результат измерений. 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.Монтаж МК выполнен на печатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. Трансформатор закреплен механическим способом с помощью шайбы и винтового соединения. Дополнительно следует отметить необходимость качественной изоляции вторичных обмоток трансформатора, для снижения возможности пробоя между измерительной и передающей частями платы. Для защиты от перенапряжения в линии связи, на плате установлены защитные двухполярные диоды.На плате предусмотрены индикаторы приема и передачи данных по сети, а также индикатор наличия питания. По причине малой потребляемой мощности стабилизатор напряжения DA6 может быть установлен без дополнительного теплоотвода.2.5 Расчёт надёжности контроллера.Оценочный расчёт надёжности конструкции заключается в определении показателей надёжности изделия по известным надёжности изделия по известным характеристикам надёжности составляющих компонентов и условиям их эксплуатации. В дипломном проекте оценочный расчёт надёжности изделия выполняется по внезапным отказам, в соответствии с которым определяется интенсивность отказов устройства с учётом условий его эксплуатации.Необходимо обеспечить наработку до отказа МК 60000 часов. Расчёт интенсивности отказов ПП с металлизированными отверстиямиλ0 – значение базовой интенсивности отказа плат в зависимости от технологии изготовления, для печатного монтажа: КЭ – коэффициент эксплуатации (ГОСТ Р.В. 20.36.304-98) КЭ = 1КС – коэффициент сложности в зависимости от числа слоёв, для ДПП: КС = 1N1 – количество соединений, пропаянных групповыми методами (все выводы МС).N2 – количество соединений, пропаянных вручную (выводы разъёмов), .Расчёт интенсивности отказов соединенийn – количество видов соединений (пайка волной и ручная пайка)КЭ – коэффициент эксплуатации (ГОСТ Р.В. 20.36.304-98)КЭ = 1Ni – кол-во соединений i-го видаN1 = 28N2 = 5 – базовая интенсивность отказов iго вида соединения(пайка волной)(ручная пайка без накрутки)Расчёт интенсивности отказов электрического соединителя (разъём USB)λ0 – базовая интенсивность отказов соединителя в зависимости от технологии изготовленияКТ – коэффициент температурыTc – температура среды (30 оС)∆t – среднее превышение температуры разъема относительно окружающей средыI – ток, протекающий через контакты (максимальный ток через разъём)А – коэффициент, зависящий от количества задействованных выводов (А(5) = 0,07) ККМ – коэффициент, зависящий от количества сочленений/расчленений за 1000 часов (для количества сочленений/расчленений в интервале 5–50 ККМ = 3)КУК – коэффициент уровня качества КУК = 2КЭ – коэффициент эксплуатации КЭ = 1.Расчёт интенсивности отказов λ0 – эксплуатационная интенсивность отказов кристалловКТ – коэффициент температурного влияния Ea – энергия активации Ea = 0,35 эВNТ – эмпирический коэффициент NТ = 298ТJ – перегрев телаТJ = 40оСКСЛ – коэффициент сложности кристаллаSК – площадь кристалла SК = 0,64 см2XS – топологическое разрешение XS = 0,25 мкмλК – интенсивность отказов корпусаNв – количество выводовNв = 28КЭ – коэффициент, учитывающий режим эксплуатации (ГОСТ Р.В. 20.36.304-98)КЭ = 0,5КУК – коэффициент, учитывающий уровень качества (класс В1)КУК = 2КК – коэффициент влияния корпуса (DIP не герметичный)КК = 1,3Расчёт интенсивности отказов ФЯРасчёт наработки до отказа модуля.Рассчитанной значение наработки до отказа удовлетворяет предъявленным требованиям.Глава 3 программная часть3.1 Разработка алгоритма работы На рисунке 3.1 представлена блок схема алгоритма работы микроконтроллера модуля контроля.В блок-схеме применены условные обозначения:N – счетчик выборок, переменная в которой хранится текущее количество сделанных выборок тока и напряжения;K – счетчик времени, переменная, хранящая интервал времени между моментами сохранения измеренных данных в EEPROM с шагом 5,12 с.При подаче питания микроконтроллер инициализирует порты ввода-вывода, переводя их в высокоимпедансное состояние, производит настройку и запуск таймера. Таймер отсчитывает время между выборками. При переполнении таймера генерируется запрос на прерывание и происходит запуск подпрограммы управления АЦП, ее блок-схема представлена на рисунке 3.2. После запуска таймера, микроконтроллер производит настройку АЦП, и обнуляет переменные K и N. Далее, микроконтроллер находится в цикле ожидания пока значение переменной N не превысит 4096, что соответствует 256 периодам при 16 выборках в каждом. Далее происходят определение температуры, а также последовательные вычисления в соответствии с методикой расчета необходимого времени нагрева.нетданетСтартНастройка и запуск таймераНастройка и запуск таймераОбнуление счетчика выборок N=0N>4096Вычисление скорости роста температурыУсреднение полученных значений Вычисление корня из полученного произведения – полная мощностьЗапись усредненных значений в EEPROM Вычисление среднего значения показаний датчиков за 256 периодовПеремножение полученных средних значений температурыОбнуление счетчика времени К=0Настройка АЦПНастройка UARTОбнуление счетчика выборок N=0Инкрементировать счетчик времениK>176Обнуление счетчика времени К=0нетданетСтартНастройка и запуск таймераНастройка и запуск таймераОбнуление счетчика выборок N=0N>4096Вычисление скорости роста температурыУсреднение полученных значений Вычисление корня из полученного произведения – полная мощностьЗапись усредненных значений в EEPROM Вычисление среднего значения показаний датчиков за 256 периодовПеремножение полученных средних значений температурыОбнуление счетчика времени К=0Настройка АЦПНастройка UARTОбнуление счетчика выборок N=0Инкрементировать счетчик времениK>176Обнуление счетчика времени К=0Рисунок 3.1 – Блок схема работы системыВ подпрограмме происходит измерение мгновенных значений тока и напряжения, и температуры, и т.д.. Полученные значений тока, напряжения и мощности, добавляются в соответствующие буферы, с целью усреднения в течение 256 периодов сетевого напряжения. После сохранения измеренных значений происходит возврат в основную подпрограмму.Нет Нет дадаЗапуск одиночного преоб-ния – XiВычисление среднего значения Контроль пороговых датчиков Возвращение в основную программуПрерывание от таймераПреобразование завершено?Запуск одиночного преобразованияния – Xi+1Преобразование завершено?Измерение температуры. Нет Нет дадаЗапуск одиночного преоб-ния – XiВычисление среднего значения Контроль пороговых датчиков Возвращение в основную программуПрерывание от таймераПреобразование завершено?Запуск одиночного преобразованияния – Xi+1Преобразование завершено?Измерение температуры. 570865146685Рисунок 3.2 – Блок схема подпрограммы таймера00Рисунок 3.2 – Блок схема подпрограммы таймераНа рисунке 3.3 представлена блок-схема подпрограммы обработки прерываний от UART(прием) даданет нетВозвращение в основную программуПрерывание от UARTПрием посылкиПосылка принята полностью?Сравнение адреса посылки со своим Адрессовпал?Анализ полученной командыФормирование посылки в буфереПередача данныхСброс приемного буферададанет нетВозвращение в основную программуПрерывание от UARTПрием посылкиПосылка принята полностью?Сравнение адреса посылки со своим Адрессовпал?Анализ полученной командыФормирование посылки в буфереПередача данныхСброс приемного буфера38100012065Рисунок 3.3 – Блок схема подпрограммы приема данных00Рисунок 3.3 – Блок схема подпрограммы приема данных3.