Розробка засобів автоматизації цеху

Зміст

• 1. Загальна частина
• 1.1 Вступ
• 1.2 Характеристика існуючого стану на підприємстві
• 1.3 Обґрунтування теми проекту
• 1.4 Огляд і аналіз відомих проектних рішень
• 2. Розрахунково-технологічна частина
• 2.1 Архітектура мікроконтролерів AVR
• 2.2 Розробка конструкції приладу
• 2.3 Розрахунок та характеристика первинних засобів автоматизації
• 2.4 Розробка програми керування пристроєм
• 2.5 Моделювання, функціонування розробленого пристрою засобами схемних симуляторів
• 3. Конструктивна частина
• 3.1 Технологія виготовлення друкованої плати
• 3.2 Розрахунок елементів пристрою
• 3.3 Послідовність монтажу засобів автоматизації
• 4. Енергетична частина
• 4.1 Розрахунок витрат енергоносіїв на засоби автоматизації
• 5. Охорона праці
• 5.1 Заходи техніки безпеки
• 5.2 Протипожарний захист
• 5.3 Заходи техніки безпеки при виконанні монтажних робіт
• 6. Економічна частина
• 6.1 Розрахунок економічної ефективності автоматизації технологічного процесу
• 7. Список використаної літератури

1. Загальна частина

1.1 Вступ

Автоматизація — один з напрямів науково-технічного прогресу, спрямований на застосування саморегульованих технічних засобів, економіко-математичних методів і систем керування, що звільняють людину від участі в процесах отримання, перетворення, передачі і використання енергії, матеріалів чи інформації, істотно зменшують міру цієї участі чи трудомісткість виконуваних операцій. Разом з терміном автоматичний, використовується поняття автоматизований, що підкреслює відносно великий ступінь участі людини в процесі.

Автоматизація, окрім об'єкта керування вимагає додаткового застосування давачів (сенсорів), керуючих пристроїв (контролерів із засобами вводу-виводу), виконавчих механізмів та у переважній більшості базується на основі використання електронної техніки та методів обчислень, що іноді копіюють нервові і розумові функції людини.

Автоматизуються:

виробничі (технологічні) процеси;

проектування;

організація, планування та управління;

наукові дослідження.

бізнес-процеси.

Мета автоматизації - підвищення продуктивності праці, поліпшення якості продукції, оптимізація управління, усунення людини від виробництв, небезпечних для здоров’я.

Автоматизація, за винятком простих випадків, вимагає комплексного, системного підходу до рішення задачі, тому конкретні вирішення завдань засобами автоматизації, зазвичай називаються системами, наприклад:

система автоматичного керування (САК);

автоматизована система управління (АСУ);

система автоматизації проектних робіт (САПР);

автоматизована система керування технологічним процесом (АСК ТП).

Система автоматизації - інформаційно-об'єднана сукупність програмованих пристроїв автоматизованого та автоматичного контролю, регулювання та управління.

Галузі, де автоматизація є актуальною: виробництво сталі, гірнича справа, машинобудування, хімічне виробництво, харчова промисловість, енергетика, керування автомобільним, залізничним і повітряним транспортом.

Складовими елементами системи автоматизації є підсистеми:

1. Технологічної та аварійної сигналізації.

2. Автоматичного блокування і технологічного захисту.

3. Аварійного керування.

4. Реєстрації стану керованого процесу і дій оператора.

5. Комунікації даних між пристроями системи та із зовнішніми інформаційними системами.

1.2 Характеристика існуючого стану на підприємстві

Приватне підприємство займається виробництвом дверей та вікон з натуральної деревини. Було засновано у 2001 році Палагнюком І.В. Підприємство пропонує широкий вибір продукції на замовлення та надає 50 років гарантії при правильній експлуатації виробу.

Підприємство складається із наступних дільниць:

сушильна камера;

дільниця розкрою;

столярний цех;

шліфувальна дільниця;

лакувальний цех;

слюсарна майстерня;

Працює як зі своїми матеріалами так і матеріалами замовника. Як сировина використовуються м’які породи дерев: смерека, сосна, а також тверді породи: дуб, ясень. Підприємство надає повний набір послуг: заміри, виробництво продукції, опорядження, доставка та монтаж по місцю. За 11 років роботи підприємство своєю якісною роботою здобуло популярність по всій області а також і за її межами.

Організаційна структура управління представляє собою сукупність певним чином пов’язаних між собою управлінських ланок, Вона характеризується кількістю органів управління, порядком їх взаємодії та функціями, які вони виконують.

Головне призначення організаційної структури — забезпечити ефективну діяльність управлінського персоналу. До його складу на підприємстві входять: керівник підприємства, керівники підрозділів, фахівці, обслуговуючий персонал (технічний).

Власник реалізує свої права щодо управління підприємством безпосередньо або через уповноважені ним органи відповідно до статуту підприємства чи інших установчих документів. Для керівництва господарською діяльністю підприємства власник (власники) або уповноважений ним орган призначає (обирає) керівника підприємства. У разі найму керівника підприємства з ним укладається договір (контракт), в якому визначаються строк найму, права, обов’язки і відповідальність керівника, умови його матеріального забезпечення, звільнення з посади, інші умови найму за погодженням сторін. Керівник підприємства без доручення діє від імені підприємства, представляє його інтереси в органах державної влади і органах місцевого самоврядування, інших організаціях, у відносинах з юридичними особами та громадянами, формує адміністрацію підприємства і вирішує питання діяльності підприємства в межах та порядку, визначених установчими документами. Керівника підприємства може бути звільнено з посади достроково на підставах, передбачених договором (контрактом) відповідно до закону. На всіх підприємствах, які використовують найману працю, між власником і трудовим колективом повинен укладатися колективний договір, яким регулюються виробничі, трудові та соціальні відносини трудового колективу з адміністрацією підприємства.

Трудовий колектив підприємства складається з громадян, які беруть участь у його діяльності на основі трудового договору (контракту, угоди) або інших домовленостей, що регулюють, трудові відносини працівника з підприємством.

Повноваження трудового колективу щодо його участі в управлінні підприємством встановлюються статутом або іншими установчими документами відповідно до ГКУ, законодавства про окремі види підприємств, закону про трудові колективи.

На даному підприємстві існує така структура управління. В персонал підприємства входять:

директор

бригадири

робочий персонал

виїзний персонал

ремонтний персонал

Детальніше розглянемо роботу кожного працівника.

Директор — це керівник підприємства. Він керує усім підприємством та персоналом. Має право розпоряджатися усім майном, обладнанням та документами. Приймає рішення щодо закупівлі сировини, її зберігання та використання. Дає вказівки підлеглим щодо організації та якості роботи.

На підприємстві працює 2 бригадири, які контролюють технологічний процес виготовлення продукції, здійснюють усі розрахунки для подальшого виробництва.

Робочий персонал — це майстри, які вже виготовляють саму продукцію по вказівкам бригадирів.

Виїзний персонал має обов’язки здійснювати заміри на місці, де повинна бути встановлена продукція (тобто двері, вікна). Також цей персонал встановлює цю продукцію.

Ремонтний персонал слідкує за станом та справністю обладнання, здійснює монтаж, наладку та технічне обслуговування електроустановок.

1.3 Обґрунтування теми проекту

Керування дискретними сигналами буде продемонстроване на прикладі автоматичного управління внутрішнім та зовнішнім освітленням на виробництві, та підтримання заданої температури у приміщенні. Такий пристрій на сьогоднішній день буде актуальним для економії електроенергії освітлення, оптимізації роботи зовнішнього освітлення. Підтримання встановленого температурного режиму в приміщенні або певного мікроклімату в певному діапазоні температури. Та й взагалі, для різних пристроїв і приладів, які потрібно включати і вимикати в один і той же час регулярно кожну добу, протягом багатьох тижнів, місяців. Таким чином, відбувається економія і матеріальних ресурсів.

Щоб виконати це завдання нам потрібно розробити систему керування дискретними сигналами. Найкраще це зробити за допомогою контролерів AVR, тому що це найбільш оптимально для такого роду керування — дешево, якісно та надійно.

Також наше завдання включає складання схеми, її дослідження в спеціальних програмах, написання програмного коду для керування контролером.

контролер автоматизація дискретний сигнал

1.4 Огляд і аналіз відомих проектних рішень

Виконавчий механізм — у системах автоматичного регулювання — пристрій, що безпосередньо здійснює механічне переміщення (чи поворот) регулюючого органу об'єкта управління або змінює його стан та параметри.

За видом споживаної енергії виконавчі механізми поділяють на електричні, пневматичні і гідравлічні. Найбільшого поширення набули електричні ВМ. Пневматичні і гідравлічні виконавчі механізми застосовуються у разі необхідності отримання великої потужності при переміщенні робочого органу та у вибухонебезпечних середовищах.

Конструкції виконавчих механізмів різноманітні. У першу чергу вони розрізняються за характером руху вихідної ланки (прямохідні і поворотні) і за видом чутливого елемента, який перетворює енергію командного сигналу в переміщення вихідної ланки. Вид використовуваної енергії також позначається на конструктивному оформленні виконавчого механізму.

Електричні виконавчі механізми можуть бути контактними і безконтактними. Пусковим пристроєм контактного виконавчого механізму є реверсивний магнітний пускач, безконтактного — магнітний підсилювач.

У загальному випадку електричні виконавчі механізми складаються з наступних основних елементів: реверсивного електродвигуна; редуктора, що знижує частоту обертання вихідного вала; вихідного елемента, що передає зусилля або крутильний момент регулювальному органу; додаткових пристроїв (кінцевих вимикачів), що забезпечують зупинку виконавчого механізму в крайніх положеннях; пристроїв зворотного зв’язку для роботи в системах автоматичного регулювання або для дистанційного показу положення вихідного елемента виконавчого механізму; штурвал ручного привода (деякі модифікації).

У залежності від модифікації цих ВМ у них використовуються двофазні конденсаторні електродвигуни з порожнистим ротором, що мають добрі динамічні характеристики і допускають тривалу роботу в застопореному режимі при повній напрузі живлення, а також трифазні асинхронні електродвигуни з короткозамкнутим ротором (для виконавчих механізмів великої потужності).

Як пристрій зворотного зв’язку застосовують реостатні, індуктивні і феродинамічні перетворювачі переміщення.

Проаналізувавши ці методи керування виконавчими механізмами я прийшов до висновку розробити пристрій керування виконавчими механізмами за допомогою дешевого та надійного контролера.

2. Розрахунково-технологічна частина

2.1 Архітектура мікроконтролерів AVR

На сьогоднішній день існує багато автоматизованих систем та контролерів для керування різного виду процесами, для покращення якості, швидкості роботи, та економії часу. Розглянемо таку ланку автоматизації як мікроконтролери.

Рис.2.1 Зовнішній вигляд AVR контролерів

Мікроконтролер, або однокристальна мікроЕОМ — виконана у вигляді мікросхеми спеціалізована мікропроцесорна система, що включає мікропроцесор, блоки пам’яті для збереження коду програм і даних, порти вводу-виводу і блоки зі спеціальними функціями (лічильники, компаратори, АЦП та інші).

Використовується для керування електронними пристроями. По суті, це — однокристальний комп’ютер, здатний виконувати прості завдання. Використання однієї мікросхеми значно знижує розміри, енергоспоживання і вартість пристроїв, побудованих на базі мікроконтролерів. Мікроконтролери можна зустріти в багатьох сучасних приладах, таких як телефони, пральні машини, вони відповідають за роботу двигунів і систем гальмування сучасних автомобілів, з їх допомогою створюються системи контролю і системи збору інформації. Переважна більшість процесорів, що випускаються у світі - мікроконтролери.

При проектуванні мікроконтролерів доводиться дотримувати баланс між розмірами і вартістю з одного боку і гнучкістю і продуктивністю з іншою. Для різних застосувань оптимальне співвідношення цих і інших параметрів може розрізнятися дуже сильно. Тому існує величезна кількість типів мікроконтролерів, що відрізняються архітектурою процесорного модуля, розміром і типом вбудованої пам’яті, набором периферійних пристроїв, типом корпусу.

В той час, як 8-розрядні процесори загального призначення повністю витиснені продуктивнішими моделями, 8-розрядні мікроконтролери продовжують широко використовуватися. Це пояснюється тим, що існує велика кількість застосувань, в яких не потрібна висока продуктивність, але важлива низька вартість. В той же час, є мікроконтролери, з більшими обчислювальними можливостями, наприклад цифрові сигнальні процесори.

Обмеження за ціною і енергоспоживанням стримують також зростання тактової частоти контролерів. Хоча виробники прагнуть забезпечити роботу своїх виробів на високих частотах, вони, в той же час, надають замовникам вибір, випускаючи модифікації, розраховані на різні частоти і напругу живлення. У багатьох моделях мікроконтролерів використовується статична пам’ять для ОЗП і внутрішніх регістрів. Це дає контролеру можливість працювати на менших частотах і навіть не втрачати дані при повній зупинці тактового генератора. Часто передбачені різні режими енергозбереження, в яких відключається частина периферійних пристроїв і обчислювальний модуль.

ATMEL — один з світових лідерів у виробництві широкого спектру мікросхем незалежної пам’яті, FLASH-мікроконтролерів і мікросхем програмованої логіки, узяла старт по розробці RISC-мікроконтролерів у середині 90-х років, використовуючи все свої технічні рішення, накопичені до цього часу.

AVR-архітектура, на основі якої побудовані мікроконтролери сімейства ATtiny, об'єднує могутній гарвардський RISC-процесор з роздільним доступом до пам’яті програм і даних, 32 регістри загального призначення, кожний з яких може працювати як регистр — акумулятор, і розвинену систему команд фіксованої 16-біт довжини. Більшість команд виконуються за один машинний такт з одночасним виконанням поточної і вибіркою наступної команди, що забезпечує продуктивність до 1 MIPS на кожен Мгц тактової частоти.

32 регістри загального призначення утворюють регістровий файл швидкого доступу, де кожен регістр безпосередньо пов’язаний з АЛП. За один такт з регістрового файлу вибираються два операнди, виконується операція, і результат повертається в регістровий файл. АЛП підтримує арифметичні і логічні операції з регістрами, між регістром і константою або безпосередньо з регістром.

Регістровий файл також доступний як частина пам’яті даних.6 з 32-х регістрів можуть використовуватися як три 16-розрядні регістри-покажчики для непрямої адресації. Старші мікроконтролери сімейства AVR мають у складі АЛУ апаратний помножувач.

Базовий набір команд AVR містить 120 інструкцій. Інструкції бітових операцій включають інструкції установки, очищення і тестування бітів.

Всі мікроконтролери AVR мають вбудовану FLASH-ROM з можливістю внутрішньо схемного програмування через послідовний 4-контактний інтерфейс.

Периферія МК AVR включає: таймери-лічильники, широко-імпульсні модулятори, підтримку зовнішніх переривань, аналогові компаратори,

10-розрядний 8-канальний АЦП, паралельні порти (від 3 до 48 ліній введення і висновку), інтерфейси UART і SPI, сторожовий таймер і пристрій скидання по включенню живлення. Всі ці якості перетворюють AVR-мікроконтролери на могутній інструмент для побудови сучасних, високопродуктивних і економічних контролерів різного призначення.

В рамках єдиної базової архітектури AVR-мікроконтролери підрозділяються на три підродини:

Classic AVR — основна лінія мікроконтролерів з продуктивністю окремих модифікацій до 16 MIPS, FLASH ROM програм 2−8 Кбайт, ЕEPROM даних 64−512 байт, SRAM 128−512 байт;

mega AVR з продуктивністю 4−6 MIPS для складних додатків, що вимагають великого об'єму пам’яті, FLASH ROM програм 64−128 Кбайт, ЕEPROM даних 64−512 байт, SRAM 2−4 Кбайт, SRAM 4 Кбайт, вбудований 10-розрядний 8-канальний АЦП, апаратний помножувач 8×8;

tiny AVR — низьковартістні мікроконтролери в 8-вивідному виконанні мають вбудовану схему контролю напруги живлення, що дозволяє обійтися без зовнішніх супервізорних мікросхем.

2.2 Розробка конструкції приладу

Для дипломного проекту було розроблено схему, яка дозволяє робити програмоване автоматичне управління пристроями з урахуванням добового реального часу по таймеру, а наявна функція термостата дозволить управляти пристроями і по температурі.

Такий пристрій на сьогоднішній день буде актуально для економії електроенергії освітлення, оптимізації роботи зовнішнього освітлення. Підтримання встановленого температурного режиму в приміщенні або певного мікроклімату в певному діапазоні температури. Та й взагалі, для різних пристроїв і приладів, які потрібно включати і вимикати в один і той же час регулярно кожну добу, протягом багатьох тижнів, місяців. Таким чином, відбувається економія і матеріальних ресурсів.

Пристрій було спроектовано на основі мікроконтролера ATmega8.

ATMega8 — 8-розрядний КМОП мікроконтролер заснований на архітектурі Atmel AVR. Контролер виконує більшість інструкцій за 1 такт, тому обчислювальна потужність контролера рівна 1MIPS на 1 Мгц. Мікросхема ATmega8 являє собою восьмирозрядний мікроконтролер з внутрішньою програмованою Flash-пам'яттю розміром 2 Кбайт.

Загальні відомості:

— використовує AVR ® RISC архітектуру;

— AVR — це висока швидкодія і спеціальна RISC-архітектура з низьким споживанням;

— 120 потужних інструкцій, більшість з яких виконується за один машинний цикл;

— 32 восьмирозрядних регістрів загального призначення;

— повністю статична організація (мінімальна частота може бути дорівнювати 0);

— до 20 мільйонів операцій в секунду (MIPS/Sec) при тактовій частоті 20 МГц.

Збереження програм і даних при вимкненому живленні:

— 2 Кбайт вбудованої програмованої Flash-пам'яті,

— до 10 000 циклів запису/стирання;

— 128 байт вбудованої програмованої енергонезалежної пам’яті даних (EEPROM);

— до 100 000 циклів запису / стирання;

— 128 байт внутрішнього ОЗУ (SRAM);

— Програмовані біти захисту від зчитування і запису програмної пам’яті і EEPROM.

Периферійні пристрої:

— один 8-розрядний таймер / лічильник з програмованим перед-дільником і режимом збігу;

— один 16-розрядний таймер/лічильник з програмованим переддільником, режимом збігу і режимом захвату;

— чотири канали ШІМ (PWM);

— вбудований аналоговий компаратор;

— програмований сторожовий таймер і вбудований тактовий генератор;

— універсальний послідовний інтерфейс USI (UniversalSerialInterface);

— повнодуплексний USART.

Особливості мікроконтролера:

— спеціальний вхід debugWIRE для управління вбудованою системою налагодження;

— внутрішньосистемний програмований послідовний інтерфейс SPI;

— підтримка як зовнішніх, так і внутрішніх джерел переривання;

— три режими низького споживання (Idle, Power-down і Standby);

— вбудована система апаратного скидання при включенні живлення;

— програмована схема контролю зниження напруги живлення;

— внутрішній перебудовуваний тактовий генератор;

— ланцюги вводу-виводу і корпус;

— 18 програмованих ліній вводу-виводу;

— три види корпусів:

— PDIP — 20 контактів;

— SOIC — 20 контактів;

— QFN / MLF — 20 контактних майданчиків.

Напруги живлення:

— 1,8 — 5,5 В (для ATmega8L);

— 2,7 — 5,5 В (для ATmega8).

Діапазон частот тактового генератора ATmega8:

— 0−4 МГц при напрузі 1,8−5,5 В;

— 0−10 МГц при напрузі 2,7−5,5 В

Діапазон частот тактового генератора ATmega8:

— 0−10 МГц при напрузі 2,7−5,5 В;

— 0−20 МГц при напрузі 4,5−5,5 В.

Струм живлення в активному режимі:

— 1 МГц, 1,8 В: 230 мкА;

— 32 кГц, 1,8 В: 20 мкА (з внутрішнім генератором).

Струм споживання в режимі низького живлення:

— не більше 0,1 мкА при напрузі 1,8 В.

Призначення виводів мікросхеми ATmega8 наведено на рис. 2.2 Блок-схема мікроконтролера ATmega8 наведена на рис. 2.3.

Ядро AVR має великий набір інструкцій для роботи з 32 регістрами загального призначення. Усі 32 регістри безпосередньо пов’язані з арифметико-логічним пристроєм (ALU), яке дозволяє виконувати одну команду для двох різних регістрів за один такт системного генератора. Така архітектура дозволила досягти продуктивності в десять разів більшої, ніж у цінних мікроконтролерів, побудованих по CISC-технології.

Рис.2.2 Призначення виводів мікросхеми ATmega8

Рис.2.3 Блок-схема мікроконтролера ATmega8

Більш детально призначення виводів мікросхеми ATmega8 розглянуто у таблиці 2.1.

Таблиця 2.1

Отже, цифровий пристрій являє собою мікропроцесорний програмований пристрій, що володіє наступними особливостями:

Поширений мікроконтроллер ATmega8.

Три незалежних виконавчих канали. (Два канали таймери, один канал термостат) Незалежні тимчасові інтервали таймерів для кожного каналу.

Кожен канал таймера, має по три настроюваних періоду включення — виключення, для виконавчих пристроїв.

Режим роботи таймера, добовий з 00: 00. до 23: 59.

Точність програмованих таймерів від 1 хвилини. Загальною складністю для кожного каналу, від 1 хвилини до 24 годин.

Повне управління таймером за допомогою 4-х кнопок.

Управління від зовнішнього датчика (Виносний фотодатчик.)

Спільна або незалежна робота каналів таймера і фотодатчика.

ЖК графічний дисплей.

Російськомовний інтерфейс.

Індикація стану каналів таймера на дисплей.

Функція загального скидання з користувацького меню.

Термостат (DS18b20):

Діапазон вимірюваної температури — 55° C +125° C

Точність показань 0.1° C

Регульований (настроюється) діапазон температури від +20° C до +30° C

Регульований (настроюється) гістерезис від 0 до 9,9° C

Управління від зовнішнього датчика (ВКЛ. — ВИКЛ.)

Годинник реального часу (DS1307):

Містить у собі годинник, календар.

Точність установки, 1 сек.

Резерв ходу годинника з запасом ходу до 10 років при відсутності зовнішнього живлення.

Програмна коригування похибки ходу годинника.

Таймер не боїться перебоїв в електроживленні і може керувати практично будь навантаженням, включаючи і енергозберігаючі лампи будь-якого типу (так як на його виході використовуємо реле, фізично вони діють як звичайний механічний вимикач).

Є можливість використання управління кожного каналу з прив’язкою від зовнішнього датчика, якщо це фотодатчик, до періоду день-ніч, відповідно викл. освітлювальних приладів вдень, і включення освітлення (якщо цей період поставлено користувачем), в сутінки і вночі.

В якості датчика може використовуватися фоторезистор або фототранзистор. Вибір використання опції управління від зовнішнього датчика, проводиться за бажанням користувача з користувальницького меню, для кожного каналу окремо.

Ця опція, управління від зовнішнього датчика, надає користувачеві, використання цього пристрою в різних варіантах комбінацій застосування. Наприклад: застосування цього додаткового управління, спочатку передбачалося для використання в зовнішньому освітленні, але використовуючи комбінації вхід — таймер, термостат — вихід, термостат — таймер, вхід — термостат, вихід — таймер, можна придумати в різних варіантах застосування цього пристрою.

Установка періодів включення Відрізок часу установки активності діапазону на включення, з 00: 00. до 23: 59. У зв’язку з тим, щоб не було проміжку невключення виконавчого пристрою з 23: 59. до 00: 00., час таймер рахує так, тут на це потрібно звернути увагу.

з 00: 01. до 00: 01. дорівнює 1 хвилині,

або з 00: 00. до 00: 01. дорівнює 2-м хвилинах.

Або з 00: 00. до 23: 59. Складає рівно 24 години.

Якщо потрібно, щоб період був неактивний, час потрібно виставляти так включення 00: 01. вимкнення 00: 00. При неактивності періоду каналу, різниця повинна бути, мінус одна хвилина мінімум.

Поточний стан навантаження показується в режимі основного екрану графічними символами 1 і 2, відповідні номерам каналів таймера.

Стан функції день — ніч відображається в режимі основного екрану, такими собі графічними символами сонця і місяця. Всі дані налаштувань, періодів включення — виключення, автоматично зберігаються в незалежній пам’яті МК.

Натискання кнопки + ^ призведе всі налаштування значення каналів за замовчуванням 00: 01.00: 00., Якщо раніше було встановлено коригування секунд, також стане в ± 0. Всі дії і параметри установок відображаються на ЖКД. Всі написи меню російською мовою.

Рис.2.4 Електрична схема пристрою керування.

Основні компоненти схеми:

— ЖКД 16×2 на базі контролера HD44780

— Мікроконтролер ATmega8

— Спеціалізована годинна мікросхема DS1307 (веде підрахунок реального часу в секундах, хвилини, години, дні, місяць і рік аж до 2100 р.)

— Кварц 32 768 Гц

— Батарейка 3V

— Танталовий конденсатор

— Цифровий датчик температури DS18b20.

Реле для виконавчих пристроїв на 12V

2.3 Розрахунок та характеристика первинних засобів автоматизації

Основні функції, виконувані подібними системами, — контроль і керування, обмін даними, обробка, нагромадження й зберігання інформації, формування сигналів тривог, побудова графіків і звітів.

Автоматизована система керування технологічними процесами — сукупність апаратно-програмних засобів (SCADA — система, датчики, виконавчі механізми, контролери, операційна система реального часу, пульти оператора), що здійснюють контроль і керування виробничими й технологічними процесами; підтримуючи зворотний зв’язок і активно впливаючи на хід процесу при відхиленні його від заданих параметрів; забезпечуючи регулювання й оптимізацію керованого процесу.

SCADA — система диспетчерського керування й збору даних. Спеціальне програмне забезпечення, що вирішує завдання введення-виведення інформації в системі АСК ТП, відстеження аварійних і передаварійних ситуацій, обробка й виведення на пульт оператора графічної інформації про процес, підтримування звітів про виконання технологічного процесу. У світі існують десятки типів подібних систем.

Датчик — пристрій, що перетворить фізичні параметри технологічного процесу в електричні сигнали, що надходять надалі на контролер.

Виконавчий механізм — пристрій, що перетворить електричні сигнали у фізичні впливи, які здійснюють керування параметрами технологічного процесу в автоматичному або ручному режимі.

Контролер — пристрій, призначений для одержання в реальному часі інформації з датчиків, перетворення її й обміну з іншими компонентами системи автоматизації (комп'ютер оператора, монітор, база даних тощо), а також для керування виконавчими механізмами.

ОСРЧ — операційна система реального часу. Такі системи забезпечують гарантований час доступу до комп’ютерних ресурсів, і реагують на незаплановані зовнішні події і підтримують скороминучі (мілі - і мікросекунди) технологічні процеси.

Пульт оператора (автоматизоване робоче місце оператора, АРМ) — спеціально обладнане місце для обслуговуючого персоналу, куди надходить уся інформація про технологічний процес. У низці випадків оператор може втрутитися в хід процесу й перевести його на ручне керування.

Впровадження АСК ТП широко поширюються в різних секторах вітчизняної економіки — нафтовій й газовій промисловості, хімії й нафтохімії, металургії, енергетиці. Останнім часом АСК ТП починають проникати в такі сфери, як керування дорожнім рухом, медицина, машинобудування, ЖКГ. Окремий напрям їхнього застосування становить військова й космічна техніка, де системи автоматизації використовують як убудовані засоби контролю й керування.

Системи промислової автоматизації одержали широке поширення на західному ринку в середині 70 років, коли комп’ютерні технології вийшли на рівень, що зробив виправданим їхнє масове використання у виробництві.

Формування сектора АСК ТП у нашій країні почалося наприкінці 80-х — початку 90-х років, коли спеціалізовані проектні інститути, що вивчають питання автоматизації технологічних процесів у рамках однієї галузі, не змогли оперативно й ефективно інтегруватися в умови нової економіки. Їхнє місце стали займати комерційні організації, що спеціалізуються в галузі автоматизації технологічних процесів у широкому спектрі завдань. Нині ринок АСК ТП можна вважати цілком сформованою структурою, лідерами якого є великі компанії, що виконують комплексні проекти «під ключ», незалежно від галузі автоматизовуваного підприємства. Дрібніші компаній, в основному, постачають комплектуючі і виконують невеликі проекти.

В останні роки намітилася виражена тенденція до інтеграції систем категорій АСК ТП і АСКВ («автоматизована система керування виробництвом»). При цьому комплексна система автоматизації є трирівневою пірамідою керування промисловим підприємством.

Будь-який сигнал може виступати вхідним або вихідним параметром системи або об'єкта керування, який являється результатом роботи оператора. В технології автоматичного управління (ТАУ) та цифровій обробці сигналів (ЦОС), при ідентифікації та моделюванні завжди постає задача побудови та дослідження передаточної функції, яка являється його динамічною характеристикою.

Отже розглянемо, в першу чергу, саме поняття сигналу, його види та методи обробки.

Сигнал (в теорії інформації і зв’язку) — матеріальний носій інформації, який використовується для передачі повідомлень за системою зв’язку. Сигнал, на відміну від повідомлення, може генеруватися, але його прийом не обов’язковий (повідомлення має бути прийняте приймаючою стороною, інакше воно не є повідомленням, а всього лише сигналом).

Сигналом може бути будь-який фізичний процес, параметри якого змінюються відповідно до переданим повідомленням. На практиці найчастіше використовуються електричні сигнали. При цьому носієм інформації є змінюються в часі струм або напруга в електричному ланцюзі. Електричні сигнали легше обробляти, ніж інші, вони сумісні із широко поширеними електронними пристроями.

Сигнал, детермінований або випадковий, описують математичної моделлю, функцією, що характеризує зміна параметрів сигналу. Математична модель подання сигналу, як функції часу, є основною концепцією теоретичної радіотехніки та теорії автоматичного керування, що виявилася важливою, як для аналізу, так і для синтезу радіотехнічних пристроїв і систем автоматичного керування. У радіотехніці альтернативою сигналу, який несе корисну інформацію, є шум — зазвичай випадкова функція часу, взаємодіє (наприклад, шляхом додавання) з сигналом і спотворює його. Основним завданням теоретичної радіотехніки та ЦОС є отримання корисної інформації з сигналу з обов’язковим урахуванням шуму.

Класифікація сигналів.

За фізичної природи носія інформації, сигнали поділяються:

електричні,

електромагнітні,

оптичні,

акустичні

та ін.;

Аналоговий сигнал (АС). Більшість сигналів мають аналогову природу, тобто безперервно змінюються в часі і можуть приймати будь-які значення на деякому інтервалі. Аналогові сигнали описуються деякою математичною функцією часу. Приклад АС — гармонійний сигнал —. Аналогові сигнали використовуються в телефонії, радіомовлення, телебачення. Ввести такий сигнал в комп’ютер і обробити його неможливо, тому що на будь-якому інтервалі часу він має нескінченну безліч значень, а для точного (без похибки) представлення його значення потрібні числа нескінченної розрядності. Тому необхідно перетворити аналоговий сигнал так, щоб можна було уявити його послідовністю чисел заданої розрядності.

Дискретний сигнал. Дискретизація аналогового сигналу полягає в тому, що сигнал представляється у вигляді послідовності значень, узятих в дискретні моменти часу. Ці значення відліку Дt називаються — інтервалом дискретизації.

Квантований сигнал. При квантуванні вся область значень сигналу розбивається на рівні, кількість яких повинна бути подана в числах заданої розрядності. Відстані між цими рівнями називаються — кроком квантування Д. Число цих рівнів N (від 0 до N-1). Кожному рівню присвоюється деяке число. Відлік сигналу порівнюються з рівнями квантування і в якості сигналу вибирається число, відповідне деякому рівню квантування. Кожен рівень квантування кодується двійковим числом з n розрядами. Число рівнів квантування N і число розрядів n двійкових чисел, що кодують ці рівні, пов’язані співвідношенням n? log 2 (N).

Цифровий сигнал. Для того щоб представити аналоговий сигнал послідовністю чисел кінцевої розрядності, його слід спочатку перетворити в дискретний сигнал, а потім піддати квантування. У результаті сигнал буде представлений таким чином, що на кожному заданому проміжку часу відомо наближене (квантування) значення сигналу, яке можна записати цілим числом. Якщо записати ці цілі числа в двійковій системі, вийде послідовність нулів та одиниць, що і буде цифровим сигналом.

Тепер детальніше розглянемо дискретні сигнали.

Уся множина точок містить у собі нескінченну кількість інформації, тому вона часто є малопридатна для сприйняття, аналізу та ефективного оброблення і потребує стиску первинної інформації без суттєвої втрати корисної інформації.

3 іншого боку, неідеальність та нестабільність характеристик апаратури та ліній зв’язку (середовища), у яких поширюється аналоговий сигнал, завжди супроводжується спотворенням його форми та втратою корисної інформації.

Зменшення спотворень та часткове усунення вказаних втрат можна досягти перетворенням неперервного сигналу в дискретний у часі або на множині значень, що еквівалентно представленню його скінченою множиною точок.

Таке перетворення сигналу полегшує зберігання та оброблення інформації, дає змогу збільшувати кількість сигналів, які поширюються по одному й тому ж каналу зв’язку (ущільнювати канали зв’язку), проводити стискання первинної інформації тощо.

У простішому випадку сигнал можна описати множиною його миттєвих значень у фіксовані моменти часу (рис. 2.1а). Такий процес перетворення аналогового сигналу називають дискретизацією, а миттєві значення дискретизованого сигналу — відліками.

На рис. 2.1а відліки позначені вертикальними стрілками, висота яких відповідає значенням відліків дискретизованого сигналу .

Заміна неперервної множини миттєвих значень сигналу множиною дискретних значень називають квантуванням (рис. 2.1б). З рисунка бачимо, що при квантуванні аналоговий сигнал змінюється меншим (або більшим) найближчим дискретним значенням з деякою похибкою, яку можна допустити.

Віддаль між рівнями квантування називають інтервалом квантування.

Часто аналоговий сигнал одночасно дискретизують у часі і квантують за рівнем (рис. 2.1в). Таке перетворення сигналу забезпечують спеціальні пристрої - аналого-цифрові перетворювачі (АЦП). У цьому випадку перетворенний сигнал називають цифровим.

Рис. 2.5 Способи перетворення аналогового сигналу у дискретизований (а), квантований (б) та цифровий (в)

Можливість заміни аналогового сигналу дискретним та вибір способу такого перетворення залежить від спектрального складу або швидкості зміни в часі первинного аналогового сигналу, а також можливої похибки перетворення первинного сигналу у дискретний.

Розглянемо ці питання детальніше.

Квантування неперервних сигналів за рівнем

Квантування сигналів за рівнем широко використовують у пристроях цифрового оброблення інформації, інформаційно-вимірювальних системах, системах автоматичного керування тощо.

При квантуванні сигналу за рівнем неперервна множина значень сигналу замінюється множиною дискретних значень. Маючи це на меті, у діапазоні неперервних значень сигналу вибирають скінченну кількість дискретних значень (дискретних рівнів) і в кожен момент часу значення сигналу замінюється найближчим дискретним значенням. Отже, унаслідок квантування неперервний аналоговий сигнал замінюється ступінчастою функцією. На практиці квантування здійснюється заміною значення сигналу найближчим меншим дискретним значенням, як показано на рис. 2.6а.

Рис.2.6 (а) — заміна неперервного сигналу ступінчастою функцією із найближчим меншим значенням; (б) — характер зміни похибки квантування

Відстань між сусідніми дискретними рівнями називають кроком квантування або інтервалом квантування.

Якщо крок квантування незмінний, то квантування називають рівномірним. Рівномірне квантування найпоширеніше, тому що воно технічно реалізується достатньо просто. Оскільки при квантуванні миттєве значення сигналу замінюється найближчим дискретним значенням, то при цьому появляється методична похибка, яку прийнято називати шумом квантування. Очевидно, що похибка квантування має випадковий характер і її абсолютне значення у будь-який момент часу дорівнює різниці між квантованим значенням та миттєвим значенням сигналу :

. (2.1)

Ha рис.2б показано характер зміни абсолютного значення похибки квантування при заміні дійсного миттєвого значення сигналу найближчим меншим дискретним значенням, звідки видно, що за такого способу квантування абсолютна похибка завжди від'ємна і лежить у межах .

Наявність методичної похибки означає, що суттєвою відмінністю процесу квантування за рівнем від дискретизації у часі є те, що після реалізації процесу квантування неперервний сигнал не можна відновити з похибкою, меншою за половину інтервалу квантування.

Закон розподілу похибки квантування як випадкової величини залежить від закону розподілу миттєвих значень сигналу. Приймемо, що при достатньо великій кількості рівнів квантування похибка квантування підлягає рівномірному законові розподілу ймовірностей, одновимірна густина розподілу якого зображена на рис. 2.7.

Рис.2.7 Одновимірна густина розподілу ймовірностей похибки квантування

Отже, згідно з рис. 2.7 можна записати:

(2.2)

Математичне сподівання похибки квантування (момент першого порядку):

. (2.3)

Дисперсія похибки квантування (момент другого порядку):

. (2.4)

Середня квадратична похибка квантування:

. (2.5)

Як випливає з (2.5), середня квадратична похибка квантування зменшується із зменшенням інтервалу дискретизації, тобто із збільшенням кількості рівнів квантування. Треба відзначити, що можливий інший спосіб квантування неперервного сигналу за рівнем, згідно з яким миттєве значення сигналу замінюється найближчим меншим або більшим дискретним значенням — залежно від того, котре з них ближче до миттєвого значення, як показано на рисунку 2.8а. Характер зміни похибки для цього способу квантування зображено на рисунку 1.4б. Як видно з рис. 2.8б, похибка квантування змінюється у межах від до. Прийнявши, що закон розподілу ймовірностей цієї похибки теж є рівномірний, знаходимо, що її математичне очікування, дисперсія, середня квадратична похибка, як і в попередньому випадку, дорівнює .

Рис.2.8 (а) — заміна неперервного сигналу ступінчастою функцією із найближчим значенням (меншим або більшим); (б) — характер зміни похибки квантування

Якщо інтервал дискретизації не є постійним, то квантування називають нерівномірним. Нерівномірне квантування застосовують тоді, коли відомо, що ймовірність розподілу миттєвих значень сигналу по шкалі рівнів неоднакова. При цьому ті значення сигналу, ймовірність появи яких велика, передаються з меншою похибкою квантування, а малоймовірні значення з більшою похибкою.

Отже, унаслідок нерівномірного квантування зменшується дисперсія похибки квантування.

Основні поняття про інформаційні моделі сигналів

Основним завданням радіоелектронних систем та пристроїв є передавання, приймання, перетворення та зберігання інформації, яка подана у вигляді електричних сигналів. Зрозуміло, що при цьому одним із найважливіших питань є питання про кількісну міру переданої інформації або про інформаційні моделі сигналів.

Раніше було сказано, що сигнал, прийнятий на приймальному пункті, несе нову інформацію для кореспондента лише в тому разі, коли є невизначеність щодо стану джерела інформації, тобто коли кореспондент не знає точно про конкретний стан джерела інформації. Тому питання про кількість прийнятої інформації безпосередньо пов’язане з мірою невизначеності щодо переданого повідомлення.

Наприклад, якщо при багаторазовому прийманні сигналу від конкретного джерела отримуємо однаковий результат (тобто невизначеність відсутня), то кореспондент (спостерігач) знатиме наперед результат такого досліду і не отримає ніякої нової інформації.

Якщо ж під час приймання сигналу можливі два різні рівноймовірні результати, то в цьому разі кореспондент кожен раз може отримати результат, який йому заздалегідь невідомий, тобто сигнал містить певну інформацію. Очевидно, що чим більше різних рівноймовірних значень можна отримати під час приймання сигналу, тим більшу кількість інформації містить цей сигнал.

Розглянемо більш загальний випадок, коли джерело інформації може передавати незалежні й несумісні повідомлення з імовірностями, які дорівнюють відповідно. Очевидно, що чим менша апріорна ймовірність появи конкретного повідомлення, тим більшу кількість інформації воно несе. Отже, звідси випливає, що за кількісну міру інформації, яку несе конкретне повідомлення, доцільно прийняти величину, обернену апріорній імовірності появи цього повідомлення, тобто .

Ha практиці прийнято зручнішу логарифмічну міру кількості інформації, яка міститься у повідомленні :

. (2.6)

Із (6) бачимо, що при значенні ймовірності появи повідомлення, яке дорівнює одиниці, кількість інформації, що її несе це повідомлення, дорівнює нулеві. Вираз (2.6) одночасно характеризує також апріорну невизначеність повідомлення, і тому його можемо використати і для кількісної оцінки невизначеності, яку називають частинною ентропією:

. (2.7)

Зауважимо, що термін «ентропія» у термодинаміці характеризує середню невизначеність стану системи молекул речовини. Залежно від вибору основи логарифму, а у виразах (2.6) та (2.7) отримуємо різні одиниці вимірювання кількості інформації та ентропії. Так, при використанні десяткових логарифмів (a = 10) кількість інформації та ентропії визначають у дітах, при використанні двійкових логарифмів (a = 2) — у бітах, а при використанні натуральних логарифмів (а = е = 2,718 281 828) — у нітах. Оскільки пристрої цифрового оброблення інформації та електронно-обчислювальні машини використовують двійкову систему числення, то найпоширенішими є двійкові одиниці вимірювання кількості інформації - біти. Середню (на одне повідомлення) кількість інформації та ентропії для усієї сукупності {x} випадкових повідомлень, апріорні ймовірності появи яких відповідно дорівнюють, можемо визначити за формулою:

(2.8)

. (2.9)

Зауважимо, що не зважаючи на збіг виразів (2.8) та (2.9), кількість інформації та ентропія принципово відрізняються між собою.

Так, ентропія є об'єктивною характеристикою джерела повідомлення, і вона може бути апріорно розрахована (тобто до отримання повідомлення), якщо відомі статистичні характеристики повідомлень.

Характеристика є апріорна, тобто така, яка визначає кількість інформації, отриманої під час прийняття повідомлень.

Іншими словами, ентропія — це міра нестачі інформації про стан джерела повідомлень. Очевидно, що у процесі надходження повідомлень про стан джерела його ентропія зменшується.

Із (2.9) випливає, що у разі, коли повідомлень є рівноймовірними (тобто ймовірність появи кожного повідомлення дорівнює), то середня кількість інформації, яку несе одне повідомлення, дорівнює:

. (2.10)

Наприклад, якщо користуватися алфавітом, що складається з 32 букв, і посилати рівномірні повідомлення з п’яти літер, то загальна кількість п’ятилітерних повідомлень дорівнює кількості розміщень із 32 по 5, тобто .

Отже, одне повідомлення несе в середньому біт інформації.

Із викладеного раніше зрозуміло, що формула (2.10) описує ентропію дискретних повідомлень. Аналіз показує, що ентропія дискретних повідомлень має такі основні властивості:

1. Оскільки ймовірності появи окремих повідомлень є невід'ємними і лежать у проміжку, то ентропія є величина дійсна, додатна і обмежена.

2. Ентропія детермінованих повідомлень дорівнює нулеві.

3. Ентропія рівномірних повідомлень максимальна і дорівнює, причому вона зростає з ростом кількості повідомлень.

4. Якщо два повідомлення є альтернативними, тобто вони мають властивість:, то ентропія може змінюватися у межах від нуля до одиниці (у двійкових одиницях).

Справді, у цьому випадку ентропія дорівнює:

. (2.11)

Із (11) випливає, що ентропія дорівнює нулеві за умов:

а), ;б),. (2.12)

Якщо обидва повідомлення є рівномірними (тобто), то ентропія набирає максимального значення, яке дорівнює одиниці:

біт.

Неперервне повідомлення можемо розглядати як випадкову величину, котра характеризується одновимірною густиною розподілу ймовірності (рис. 2.5).

Замінимо функцію ступінчастою (рис. 2.9) так, щоб усередині кожної ділянки дотримувалася умова:

. (2.13)

Рис. 2.9 Одновимірна густина розподілу ймовірностей неперервного повідомлення

Вираз (2.13) описує ймовірність потрапляння випадкової величини в інтервал при зміні неперервного повідомлення дискретним. Очевидно, що така заміна буде точніша, чим меншими будуть інтервали .

Ентропія отриманого дискретного повідомлення, згідно з (11), визначена у двійкових одиницях, дорівнює:

. (2.14)

Для визначення ентропії неперервного повідомлення здійснимо граничний перехід при :

. (2.15)

У (2.15) враховано, що

.

З виразу (2.15) видно, що ентропія неперервного повідомлення має дві складові, першу з яких визначає закон розподілу ймовірностей повідомлення, а друга прямує до нескінченності при. Проте в реальних умовах відлік повідомлень на приймальному пункті ведеться у дискретних точках, тому що апаратура має скінченну роздільну здатність та скінченну точність, а інтервал має скінченну величину. Це означає, що друга складова у (15) є постійною величиною і не розглядається.