Hазработка системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей печью скоростного нагрева

выходит аналоговый сигнал, пропорциональный углу сдвига фаз между двумя входными сигналами, который потом поступает на вход АЦП. С выхода индикатора знака сдвига фаз, собранного на микросхемах 555ЛА3 и 555ТМ2 в систему управления поступает дискретный сигнал “0” или “1”. Причем “0” обозначает, что угол сдвига фаз положительный, т. е. напряжение опережает ток.

Входной усилитель-ограничитель с коэффициентом усиления малого сигнала порядка К_У=5 усиливает и ограничивает сигнал до уровня срабатывания формирователя прямоугольных импульсов на микросхемах 140УД6. С выхода формирователя на устройство-смеситель поступают импульсы ТТЛ-уровня, получаемые с помощью мостового выпрямителя-ограничителя (диоды КД521А и стабилитрон КС133А). Смеситель, построенный на микросхемах 555ЛП5, смешивает два сигнала (ток и напряжение) в импульсной форме. В результате чего на вход ФНЧ поступает последовательность импульсов различной скважности – получается своеобразная широтно-импульсная модуляция. ФНЧ интегрирует эти импульсы, преобразуя их в непрерывный сигнал, пригодный для аналого-цифрового преобразования с большими периодами квантования.

На вход фазометра следует подавать сигналы непосредственно с датчиков тока и напряжения, а не с преобразователей, обеспечивающих непрерывный несинусоидальный сигнал.

После преобразования трех сигналов: тока, напряжения и угла сдвига фаз микропроцессорная система управления может вычислить мощность, потребляемую двигателем:

.

Это позволит определить потребление электроэнергии двигателями приводов, путем интегрирования значения потребленной мощности по времени, что в результате даст значение работы тока.

3.2.5 Сопряжение с датчиками температуры статоров

двигателей

Д
атчиками температуры являются терморезисторы типа СТ3-19 прямого подогрева. Принимаем мостовую схему включения с операционным усилителем в одном из плечей измерительного моста (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 – Принципиальная схема сопряжения с датчиком температуры

В качестве датчика температуры принимаем терморезистор прямого подогрева типа СТ3-19 с номинальным сопротивлением (при 20С) равным 15 Ком.

3.2.6 Сопряжение с датчиками температуры в рабочем

пространстве печи

Датчиками температуры в рабочем пространстве печи являются термоэлектрические преобразователи типа ТХК-51Б – термопары погружения с длиной рабочей части 1200 мм. Термо-ЭДС таких преобразователей не превышает 1.5 В при максимальной температуре (1100С) и при нулевой температуре холодных концов выводов. Фирмой Analog Devices была разработана микросхема AD594 – компенсатор точки таяния льда специально для термопар типов ТХК, ТХА, ТПП.

Р
исунок 3.7 – Измерительный канал температуры в рабочем пространстве печи ПСН

Функциональное назначение этой микросхемы – компенсация избыточной температуры холодных концов термопары (в идеале точное преобразование происходит при температуре холодных концов термопары, равной 0), линеаризация передаточной характеристики термодатчика и усиления уровня сигнала до величины, заданной на выводах напряжения управления микросхемы (выводы 6 и 9). Балансировка микросхемы производится при накоротко замкнутых дифференциальных входах «+» и «-». С помощью резистора R2 добиваются нулевого напряжения на выходе компенсатора.

На вход АЦП должно подаваться напряжение порядка 11 В. Для этого после компенсатора необходимо установить нормирующий усилитель с коэффициентом усиления К_У=2. Входное ограничивающее сопротивление R5=10 кОм, следовательно, величина сопротивления резистора обратной связи:

Ом.

Принимаем R7=22 кОм для обеспечения напряжения на выходе усилителя U_ВЫХ=11 В.

Кроме того, в микросхеме AD594 встроено устройство сигнализации предельной температуры: при достижении заданной температуры (величина задается напряжением смещения на выводе U0) срабатывают транзисторные ключи, и загорается светодиод HL1. В случае необходимости в схему можно ввести устройства звуковой сигнализации, для этого в микросхеме предусмотрен выход сигнала с частотой 400 Гц и максимальным током нагрузки 10 мА. Но, т. к. в общей системе управления участком ДТО звуковая сигнализация уже предусмотрена (температура контролируется модулем LOGO), то этот вывод микросхемы оставлен свободным.

3.2.7 Сопряжение с датчиками расхода

Выходным сигналом датчика расхода является сила тока, следовательно, для передачи его в блок аналого-цифрового преобразования, необходимо изменение его в пропорциональный сигнал напряжения. Для этого, на выходе преобразователя установлен резистор R1 – датчик напряжения (рисунок 3.8).

Р
исунок 3.8 – Сопряжение с датчиками расхода

Рассчитаем элементы схемы.

Величина сопротивления резистора R1: максимальный выходной ток датчика равен 20 мА, напряжение на входе операционного усилителя принимаем равным 3,6 В, тогда:

(Ом);

мощность резистора R1:

(Вт).

Принимаем в качестве датчика напряжения резистор ОМЛТ-0.125-180.

Определим коэффициент усиления операционного усилителя:

;

и величину сопротивления резистора обратной связи:

(Ом).

Принимаем резистор R4 типа ОМЛТ-0.125-30К.

Для улучшения параметров схемы и защиты ОУ от перегрузок по входу и выходу параллельно резистору-датчику можно включить стабилитрон КС136А (на схеме не показан).

3.2.8 Сопряжение с электромагнитными гидроусилителями (регуляторами расхода)

Гидроусилитель управляется электромагнитом с пропорциональным электрическим управлением. Следовательно, для регулирования скорости движения резцовой коронки необходимо сигнал, поступающий от микропроцессорной системы управления, преобразовать в аналоговый сигнал тока. Для этого после ЦАП включается генератор тока управления, выдающий на выходе ток, пропорциональный входному напряжению. Так как для полноценного управления электромагнитом необходимо формирование токов разной амплитуды и полярности, в качестве генератора тока принимаем схему, описанную в [ ] (рисунок 3.9). Эта схема может быть получена из общей функциональной схемы генераторов тока при условии, что два одинаковых источника тока – один для положительной полярности, а другой для отрицательной – работают на общий датчик тока (резистор R25) и общую нагрузку с комплексным сопротивлением Z_Н и имеют общую цепь обратной связи. В этой схеме выходной ток I_Н в точности повторяет форму входного напряжения U_ВХ и определяется выражением

.

При указанных на схеме номиналах источник тока преобразует входное напряжение от –10 В до +10 В в ток от –1 А до +1 А. Для достижения высокой точности преобразования нужно использовать резисторы R18-R25 с допуском не более 1 %.

В
этой схеме можно использовать практически любые ОУ с соответствующими цепями коррекции. Следует учитывать, что более высокая точность преобразования напряжения в ток получается при использовании ОУ с малыми входными токами и напряжениями смещения. Принимаем ОУ типа 140УД6 – операционный усилитель с супер-бета транзисторами на входе. В качестве регулирующих транзисторов VT1 и VT2 можно взять любые транзисторы средней мощности с максимальным коллекторным напряжением более 50 В и током коллектора 0.5 – 1.5 А.

Рисунок 3.9 – Принципиальная схема источника тока

Рассчитаем величину сопротивления резистора R25:

(Ом).

Для получения выходного сигнала тока разной полярности необходимо получение входного напряжения разной полярности, т. е. на вход опорного напряжения ЦАП нужно подавать напряжение разной полярности. Для этого применим схему формирователя опорного напряжения – рисунок 3.10.

Принцип работы источника опорного напряжения (ИОН)– повторение или инвертирование входного сигнала. Управление ИОН производится по одной дискретной линии связи: «0» или «1». При поступлении «1» ИОН работает в режиме повторителя, на вход опорного напряжения ЦАП поступает положительное напряжение, с
ледовательно, на выходе будет отрицательное и наоборот.

Рисунок 3.10 – Принципиальная схема источника опорного напряжения (ИОН) для ЦАП

3.2.9 Сопряжение с тахогенераторами

Со статорной обмотки тахогенератора снимается сигнал напряжения, пропорциональный частоте вращения вала ротора. При максимальной измеряемой частоте 400 с^-1 ЭДС статорной обмотки равно 11В. Частота вращения валка составляет 2-20 с^-1, следовательно, пропорционально уменьшается снимаемая с обмотки ЭДС:

(В).

Следовательно, необходим промежуточный усилитель, с коэффициентом усиления по напряжению равным:

,

схема которого аналогична схеме сопряжения с датчиками расхода (исключается резистор – датчик напряжения R1). Величина сопротивления резистора обратной связи:

(Ом).

3.2.10 Проектирование модулей АЦП и ЦАП

Модуль аналого-цифрового преобразования построен на интегральной схеме АЦП типа К1113ПВ1 – десятиразрядный АЦП, сопрягаемый с микропроцессором. Эта микросхема не требует дополнительных устройств выборки и хранения и промежуточных буферных регистров. Для нормальной работы преобразователя необходимо ввести промежуточный нормирующий усилитель на интегральной микросхеме ОУ типа 140УД8.

Сигналы для преобразования поступают от 24 измерительных преобразователей непрерывного действия. Для упрощения схемы модуля АЦП (установки только одной микросхемы К1113ПВ1 и уменьшения числа оптопар для гальванической развязки силовой и информационной цепей) необходимо включение аналоговых мультиплексоров общей структурой 24-1. Применим микросхемы типа К590КН6 – аналоговые коммутаторы 8-1, для полного переключения всех сигналов необходимы три такие микросхемы. Для выбора одного из 24 каналов необходимы 5 разрядов адреса: 3 для выбора канала в микросхеме и 2 для выбора необходимой микросхемы.

Микросхема К1113ПВ1 содержит устройство выборки и хранения, собственно АЦП и промежуточные буферные регистры, – т. е. в случае ее применения не требуется включения каких либо дополнительных устройств.

Модуль цифро-аналогового преобразования построен на интегральной микросхеме ЦАП типа К572ПА1 – восьмиразрядный цифро-аналоговый преобразователь. Для получения сигналов напряжения разной полярности был разработан управляемый источник опорного напряжения. Для получения сигналов тока, необходимых для управления пропорциональными распределителями, разработаны генераторы стабильного тока управления.

Максимальный выходной ток генератора составляет 1А. Дискретность преобразования микросхемы К572ПА1 составляет 256. Максимальный ход золотника управления в пропорциональных распределителях равен 1мм, при этом скорость вращения валка является максимальной – 20 с^-1, следовательно, минимальная скорость вращения, которую позволит такая система управления, будет составлять 0,078 с^-1.

Для системы регулирования подачи воздуха и газа на горелки: максимальный ход золотника управления равен 100мм, при этом расход газа через распределитель равен 10м³/ч, следовательно, минимальный расход составляет 0,039м³/ч, что позволяет управлять процессом градиентного нагрева в очень широких пределах, за счет раздельного согласованного регулирования частоты вращения валка и подачи газовоздушной смеси в рабочее пространство печи.

3.2.11 Сопряжение с датчиками перемещения

Датчики перемещения типа HSM-150/2 представляют собой фотоэлектрические преобразователи величины линейного перемещения в две последовательности импульсов ТТЛ-уровня, сдвинутых относительно друг друга на 90, что позволяет определять не только величину перемещения, но и направление движения.

По техническим характеристикам датчика: дискретность составляет 15 импульсов на миллиметр, или:

(имп.),

где N – число импульсов за полное перемещение линейки;

d – паспортная дискретность датчика, имп./мм;

l – длина рабочей части датчика, мм.

Для преобразования величины перемещения в параллельный код необходимо счетное устройство с параллельным выводом информации. Для организации такого устройства применим двоичные реверсивные счетчики типа 555ИЕ7. Определим необходимое число микросхем для полного подсчета числа импульсов при полном перемещении подвижной линейки датчика. Необходимое число двоичных разрядов:

,

принимаем N_ДВ=17 двоичных разрядов.

Т.к. микросхемы 555ИЕ7 имеют четырехбитовую организацию, то необходимое число микросхем:

.

Принимаем 4 микросхемы 555ИЕ7 (16 двоичных разрядов) и одну микросхему 555ТМ2 (два асинхронных D триггера с прямыми и инверсными выходами и раздельными установкой и сбросом).

Причем D-триггеры необходимо включить в режиме счетных T-триггеров, для чего необходимо соединить инверсный выход триггера с тактовым входом (принципиальная схема устройства приведена в графической части проекта – чертеж ДП10.96502.007Э3).

Организация работы микросхем 555ИЕ7 позволяет без каких-либо дополнительных устройств автоматически определять направление счета – два счетных входа «+1» и «-1» работают синхронно по фронту поступающего импульса: когда на входе «+1» появляется высокий уровень, а на входе «-1» проходит фронт импульса, счетчик воспринимает это как декремент текущего состояния триггеров, и наоборот – когда на входе «-1» высокий уровень, а на входе «+1» – фронт импульса – происходит инкрементирование текущего значения.

Вход R – сброс текущего состояния – имеет приоритет над всеми остальными входами микросхемы и используется для обнуления содержимого счетчиков в конце каждого заданного перемещения валка, чтобы избежать появления постоянно нарастающей накопленной погрешности, составляющей 0.01% на одно полное перемещение подвижной линейки датчика, а с учетом фазового сдвига между последовательностями на счетных входах микросхем 555ИЕ7 эта погрешность будет зависеть еще и от частоты прохождения импульсов, т.е. – от скорости перемещения валка.

3.3 Выбор необходимых источников питания для устройств сопряжения и согласования

По рассчитанным ранее элементам принципиальной схемы системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей определим необходимые величины питающих напряжений для обеспечения нормальных режимов работы всех блоков системы.

Для устройств, в состав которых входят микросхемы операционных усилителей (140УД6, 140УД7, К544УД2) необходимы источники питания, обеспечивающие двухполярное напряжение 15В, при токе (общий ток потребления устройствами сопряжения от такого источника) около 2.5А.

Для устройств, в состав которых входят микросхемы серии 555, необходим источник питания с напряжением +5В и током нагрузки не менее 1-2А.

Для генераторов стабильного тока необходим источник напряжения 24В с током нагрузки не менее 25А по каждому каналу.

Кроме того, для питания первичных преобразователей нужны следующие напряжения:

+5В, -5В, +12В – для питания датчика перемещения HSM-150/2;

36В – для питания измерительных преобразователей давления САПФИР-22ДИ;

+24В – для питания измерительных преобразователей расхода ДРПГ-60.

Принимаем к установке следующие типы блоков питания:

22БП36 – для питания преобразователей САПФИР-22ДИ (входят в комплект поставки);

БПМ-303М – для питания преобразователей HSM-150/2 и ДРПГ-60 (обеспечивает следующие величины напряжений:

+5В при токе 5А;

-5В при токе 5А;

+12В при токе 0.5А;

+24В при токе 0.1А);

УБП-24/50-3 УХЛ4.2 – для питания генераторов стабильного тока (обеспечивает напряжение 24В при токе нагрузки 50А по каждому каналу);

УБП-15/10-2 УХЛ4.2 – для питания устройств, в состав которых входят микросхемы операционных усилителей (обеспечивает напряжение 15В при токе нагрузки 10А по каждому каналу);

D2-10M – для питания устройств, в состав которых входят микросхемы серии 555 (обеспечивает напряжение +50,5В при токе нагрузки до 2.5А).