Контроллер ГАММА-8М

– режим программирования.

В режиме измерений прибор осуществляет опрос подключенных к нему датчиков, производит вычисление и индикацию  измеряемых параметров, а также формирует сигналы токовых выходов и управления ключами.

Режим программирования предназначен для настройки прибора. В этом режиме опрос датчиков не производится, а токовые выходы и ключи «замораживаются» в состояниях, в которых они находились непосредственно перед входом в режим программирования.

Вид контроллера представлен в приложении 1.

На передней панели прибора расположены два пятиразрядных семисегментных индикатора (далее “индикаторы”), на которые в режиме измерений выводятся значения измеряемых прибором физических величин и/или диагностические сообщения о ходе процесса измерений.

В режиме программирования на индикаторы выводятся вспомогательные сообщения (названия меню, параметров настройки и т.п.), а также значения

параметров настройки прибора.

Под каждым индикатором  расположены два светодиода красного цвета, индицирующих состояние ключей прибора. Если светодиод горит, соответствующий ему ключ замкнут, иначе ключ находится в разомкнутом состоянии.

В нижней части  передней панели прибора находятся  три кнопки. Нажатие кнопок сопровождается звуковым сигналом.

Прибор предназначен для подключения к нему двух датчиков производства ЗАО “Альбатрос”, поэтому вначале рассмотрим устройство и принцип работы датчиков.

Все датчики представляют собой  устройства на базе микроконтроллеров и обмениваются с вторичным прибором с помощью асинхронного последовательного кода в полудуплексном режиме [8].

 

1.6. Устройство и принцип работы датчиков

Датчики уровня ультразвуковые ДУУ2 и ДУУ2М

ДУУ2 и ДУУ2М предназначены для контроля уровня различных жидких продуктов и уровней раздела сред многофазных жидкостей (нефть – эмульсия – подтоварная вода), определяемых положением поплавков датчика, скользящих по чувствительному элементу датчика, а также измерения температуры и давления контролируемой среды в емкостях технологических и технических парков [10].

Измерение уровня или уровня раздела  фаз основано на измерении времени распространения короткого импульса упругой деформации в стальной проволоке. По всей длине проволоки намотана катушка, в которой протекает импульс тока, создавая магнитное поле. В месте расположения поплавка с постоянным магнитом, скользящего вдоль проволоки, в ней под действием магнитострикционного эффекта возникает импульс продольной деформации, который распространяется по проволоке и фиксируется пьезоэлементом, закрепленным на ней [8].

Датчики исполнения 0 измеряют время, прошедшее с момента формирования импульса тока до момента приема сигнала от пьезоэлемента. Это позволяет вычислить расстояние до местоположения поплавка, определяемого положением уровня жидкости, при известной скорости звука [10].

Расстояние до поплавка определяется по следующей формуле

L = T×V_ЗВ,                          (1)

где L - расстояние от пьезоэлемента датчика до контролируемой поверхности, м;

Т - время распространения в проволоке импульса звука от поплавка   до пьезоэлемента, с;

V_ЗВ  - скорость звука в проволоке (значение приведено в паспорте   датчика и вводится при программировании прибора), м/с.

Уровень H, м, измеряемый датчиком, рассчитывается по следующей формуле

H = B – L,                         (2)

где В - база установки датчика (расстояние от точки, на которой дальность принимается равной нулю, до поверхности, принятой за нулевой уровень), м;

L - значение дальности, рассчитываемое по формулам (1),   м.

Измерение температуры  в датчиках осуществляется с помощью цифрового интегрального термометра фирмы Maxim Integrated Products, Inc., расположенного на нижнем конце чувствительного элемента датчика.

Измерение давления в резервуаре осуществляется с помощью  ячейки для измерения давления (ЯИД) фирмы M. K. Juchheim GmbH & Co. Сигнал, выдаваемый данной ячейкой, оцифровывается с помощью встроенного в микроконтроллер датчика аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Значение давления P, ат, измеряемого  датчиком, рассчитывается по следующей формуле

P = W×C/1000 – P_СМ,                              (3)

где W- вес бита АЦП измерения давления, мат/бит (паспортное значение датчика);

C- код, полученный с АЦП измерения давления, бит;

P_СМ - начальное смещение характеристики датчика давления, ат   (паспортное значение датчика) [8].

Устройство и принцип работы датчиков ДТМ1 и ДТМ2

ДТМ1 и ДТМ2 осуществляют контактное автоматическое измерение температуры контролируемой среды в нескольких (3…8) определенных по высоте резервуара точках [10].

Измерение температуры в датчиках осуществляется с помощью цифровых интегральных термометров фирмы Maxim Integrated Products, Inc., расположенных на кабель-тросе датчика [8].

Устройство  и принцип работы датчиков ДИД1

ДИД1 предназначен для контроля избыточного давления жидких и газообразных продуктов в трубопроводах и сосудах с избыточным давлением не более 6 МПа, а также могут применяться для измерения уровня жидких продуктов путем пересчета гидростатического давления [10].

Измерение давления основано на пьезорезистивном эффекте. Давление измеряемой среды воздействует на разделительную мембрану ЯИД. Разделительная мембрана передает давление через жидкостное заполнение на кремниевую мембрану с легированным мостом сопротивлений. Прогиб кремниевой мембраны под воздействием давления приводит к изменению сопротивлений измерительного моста, что вызывает изменение выходного напряжения моста, пропорциональное изменению давления. ЯИД оснащена датчиком температуры, который, в совокупности с двумя внешними резисторами, обеспечивает температурную компенсацию измерений давления.

В качестве ЯИД используется ячейка фирмы Sensortechnics GmbH. Расчет значения давления, измеряемого датчиком, осуществляется по формуле (3) [8].

 

1.7. Работа составных частей прибора

Ячейка вычислительная ЯВ3

Структурная схема ячейки содержит следующие узлы (см. приложение 2):

• однокристальная микро-ЭВМ (ОМЭВМ);
• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
• энергонезависимое оперативное запоминающее устройство (ЭОЗУ);
• регистр адреса (РА);
• формирователь сигналов управления (ФСУ);
• изолированные релейные ключи (ИРК);
• источник изолированного питания (ИИП);
• изолированные цифро-аналоговые преобразователи (ИЦАП);
• узел изолированного интерфейса (УИИ).

Ядром модуля является ОМЭВМ (БИС DS80C320-MCG фирмы Maxim Integrated Products, Inc., являющаяся расширением ОМЭВМ семейства MCS^â-51 фирмы Intel), управляющая остальными узлами прибора. Тактирование ОМЭВМ обеспечивается кварцевым резонатором (22,1184 МГц) и ее внутренним генератором.

ОМЭВМ имеет отдельные пространства для памяти программ и памяти данных (ЭВМ гарвардского типа). ПО хранится в ПЗУ объемом 32 Кбайт, обращение к которому осуществляется сигналом /ПЗУ.

РА с помощью сигнала  ОМЭВМ ALE выделяет из мультиплексной шины адрес/данные ОМЭВМ младший байт адреса, необходимый для выбора данных из ПЗУ и ЭОЗУ.

ЭОЗУ предназначено для  хранения информации о конфигурации прибора (параметры датчиков, тип  токовых выходов и т.п.), а также временного хранения данных, необходимых в процессе осуществления прибором опроса датчиков и вычисления значений измеряемых параметров.

Пространство данных ОМЭВМ (64 Кбайт) делится между ЭОЗУ и ИРК. ФСУ формирует из сигналов адресной шины, записи (/WR) и чтения (/RD) ОМЭВМ сигналы записи и чтения ЭОЗУ (/WR RAM и /RD RAM соответственно) и сигнал записи ИРК /WR SW.

ИРК формируют гальванически развязанные сигналы типа “сухой контакт” для управления устройствами сигнализации, которые могут подключаться к прибору, а также сигналы управления светодиодами состояния ключей, расположенных на плате ЯИ5.

ИИП вырабатывает для узла ИЦАП изолированные напряжения +V_СС1 и +V_СС2.

Узел ИЦАП решает задачу формирования выходных токовых сигналов по командам ОМЭВМ (два независимых  гальванически изолированных от цепей прибора канала).

УИИ осуществляет гальваническую изоляцию и преобразование сигналов встроенного в ОМЭВМ универсального асинхронного приемопередатчика (УАПП) в сигналы интерфейса RS-485. Направление передачи информации по интерфейсу задается ОМЭВМ с помощью сигнала DIR.

Связь ЯВ3 с ЯИ5 осуществляется по шине I²C фирмы Philips Semiconductors, программно реализуемой в ОМЭВМ. При этом ОМЭВМ является ведущим устройством, а ЯИ5 - ведомым. Кроме того, ЯВ3 формирует сигнал сброса ЯИ5 /RES CE210, а ЯИ5 при нажатии кнопок, расположенных на ее плате, формирует сигнал /INT0, поступающий на вход прерывания ОМЭВМ.

ОМЭВМ имеет два УАПП. Первый используется в УИИ, с помощью второго УАПП прибор осуществляет связь с датчиками. Сигналы связи с датчиками транслируются через ЯИ5 на ЯСД4. Сигнал CHANNEL задает адрес датчика, на линии REQUEST формируются команды опроса датчиков. Информация с датчиков снимается на линии ANSWER

ОМЭВМ D1 (см. приложение «Принципиальная электрическая схема ЯВ3») выбирает команды из ПЗУ D3 с помощью сигнала /ПЗУ (вывод 29 D1). РА выполнен на ИМС D2, ЭОЗУ – БИС D5. ФСУ (ИМС D4) разбивает адресное пространство внешней памяти данных ОМЭВМ на четыре блока объемом по 16 Кбайт. В первом (адреса 0000…3FFFH) расположено ЭОЗУ (восемь вхождений по 2 Кбайт), в третьем (адреса 8000…BFFFH) располагаются ИРК, остальные адреса не используются. Сигналы /RD RAM, /WR RAM и /WR SW формируются на выводах 7, 9 и 11 ИМС D4 соответственно.

ИРК включают в свой состав регистр D7, выводы которого управляют изолированными ключами (элементы F1…F4, K1…K4, R15…R22, V5…V8, X3) и, через резисторы R5…R8 и разъем X2, светодиодами состояния ключей, расположенными на плате ЯИ5.

ИИП, вырабатывающий два изолированных напряжения питания  ИЦАП, включает в себя элементы С24, С25, С28, С34…С37, D12, D13, U1, U2.

Узел ИЦАП имеет два независимых канала, имеющих одинаковую схемотехнику, выполнен на элементах B2, B3, C18…C23, C26, C27, C30…C33, D9…D11, D14, D15, F7, F8, R25…R52, V13…V28, X4.2 и управляется сигналами с выводов 1, 2, 13, 14 ОМЭВМ.

Шина  , связывающая ЯВ3 с ЯИ5, образована выводами ОМЭВМ 7 и 8, а также подтягивающими резисторами R1 и R2. Сигнал сброса ЯИ5 /RES CE210 формируется на выводе 6 ОМЭВМ.

УИИ включает в себя элементы D6, D8, F5, F6, R3, R4, R9…R14, R23, R24, V1…V4, V9…V12, X4.1.

Связь ЯВ3 с ЯИ5 осуществляется через  разъемы X1 и X2, причем через разъем X1 ЯИ5 транслирует от ЯСД4 напряжение питания ЯВ3, а также сигналы работы с датчиками (CHANNEL, REQUEST, ANSWER) [8].

Ячейка сопряжения с датчиками  ЯСД4

Схема содержит следующие узлы:

• выключатель (ВЫКЛ);
• блок питания, устанавливаемый на плате ЯСД4;
• источник питания датчиков (ИПД);
• узлы сопряжения с датчиками (УСД).

Сетевое напряжение ~220 В, 50 Гц через выключатель поступает на блок питания, выдающий напряжения +5 В (необходимо для работы ЯВ3, ЯИ5 и УСД), +12 В и –12 В (необходимы для работы ИПД).

ИПД вырабатывает искробезопасное  питание датчиков, подключаемых к  прибору (два канала), и включает в себя искрозащитные элементы.

УСД, в соответствии с значениями сигнала CHANNEL, выполняют функцию демультиплексирования сигнала запроса датчика REQUEST на два канала, мультиплексируют сигналы ответа датчиков на одну линию (ANSWER) и обеспечивают согласование уровней и гальваническую развязку сигналов опроса и ответа датчиков.

Сетевое напряжение с контактных площадок 1 и 2 поступает на блок питания А1 через предохранители F1 и F2 (см. приложение «Принципиальная электрическая схема ЯСД4»).

Вырабатываемое блоком питания  напряжение, выполненного на элементах F5, F6, V13, V14, источников изолированного питания (элементы C4…C12, U1, U2) и узлов ограничения тока короткого замыкания и напряжения холостого хода по цепям питания датчиков (А2 и А3). Далее вырабатываемые ИПД напряжения поступают на УСД и разъем связи с датчиками Х1.

Узлы сопряжения с датчиками представляют собой устройства оптронной развязки и построены на элементах С1…С3, D1…D3, R1…R18, V1…V10, V15…V18 [8].

Ячейка индикации ЯИ5

 

 

Схема содержит следующие узлы:

• контроллер клавиатуры и дисплея (ККД);
• разрядные ключи (РК);
• сегментные ключи (СК);
• семисегментный индикатор (СИ);
• светодиоды состояния ключей (ССК);
• клавиатура (К).

Основным узлом ЯИ5 является ККД, осуществляющий вывод информации на СИ, опрос кнопок клавиатуры и формирование звуковых сигналов. Вид выводимой на СИ информации задается ЯВ3, сканирование индикатора осуществляет непосредственно ККД, что позволяет разгрузить ОМЭВМ ЯВ3 от выполнения данной работы.

Как было уже отмечено выше, связь  ЯИ5 с ЯВ3 осуществляется по двунаправленной шине I²C. При этом ЯВ3 выдает по шине команды управления ККД и данные для вывода на СИ, а ЯИ5 - коды нажатых кнопок и информацию о состоянии ККД.

РК и СК умощняют слаботочные  сигналы ККД, для того чтобы обеспечить необходимую яркость СИ.

ССК управляются сигналами ЯВ3 и  индицируют текущее состояние ИРК.

ККД выполнен на элементах B1, C5, D1, R1…R7 и БИС D2                              (см. приложение «Принципиальная электрическая схема ЯИ5»).