Реферат: Разработка системы теплоснабжения

Компьютер диспетчерского пункта организует поочередный пунктов учета тепловой энергии, подключенных к телемеханической системе. В течение нескольких секунд компьютер осуществляет обмен информацией только с одной (выбранной им) станцией. В виду того, что диспетчерский пункт объединен с контролируемым пунктом, устанавливается еще устройство ввода информации в компьютер, так как здесь телемеханическая информация не будет передаваться по линии связи. Компьютер обрабатывает принятую и выдает полученную информацию на экран монитора. Кроме того, в памяти компьютера содержится вся информация о работе подключенных к системе, насосных станций в течение 24 часов.

2.2. Разработка технической структуры периферийного устройства

Система для телемеханизации тепловых насосных станций представляет собой комплекс, состоящий из трех частей: аппаратных средств (датчики, радиостанции, преобразователи и т. д.), программного обеспечения для компьютера и контроллеров, математического обеспечения, содержащего правила и формулы преобразования информации. Рассмотрим подробнее на аппаратных средствах.

2.2.1. Датчики

Датчики - это устройства, предназначенные для непрерывного преобразования измеряемых параметров в электрические сигналы, которые могут быть использованы в системе для дальнейшего преобразования и передачи на расстояние. Кроме того, под датчиками будем понимать элементы приборов и технологического оборудования, с помощью которых может быть сформирован электрический сигнал, содержащий информацию о предаварийном или аварийном значении контролируемого параметра или какую-либо другую информацию. При выборе датчиков учитываются следующие факторы:

– допустимую для данной системы погрешность, определяющую класс точности датчика;

– инерционность датчика, характеризуемая его постоянной времени;

– пределы измерения, перекрывающие диапазон возможных значений измеряемого или контролируемого параметра;

– влияние физических параметров контролируемой и окружающей среды на нормальную работу датчика;

– расстояние, на которое может быть передана информация, вырабатываемая датчиком.

На пунктах учета тепловой энергии датчики располагаются в зависимости от особенностей технологического оборудования того или иного пункта. Датчики можно сгруппировать по виду измеряемых параметров.

2.2.1.1. Датчики измерения температуры

Температура - наиболее важный показатель тепловой насосной станции. В соответствии с техническим заданием система должна обеспечивать измерение температуры теплоносителя в подающем трубопроводе, а также в обратном трубопроводе. Кроме того, контроль перегрева подшипников насосов и электродвигателей также целесообразно осуществлять путем измерения температуры.

Наиболее распространены термопары, термопреобразователи сопротивления, полупроводниковые терморезисторы, кремниевые (в том числе и интегральные) термодатчики. Для измерения температуры теплоносителя целесообразно применить термопреобразователи сопротивления медные типа ТСМ-6097. Также может быть применен малогабаритный, малоинерционный терморезистор СТЗ-25, СТ-28, ТП-5, ПТР. Так как предполагается, что в насосной станции не будет обслуживающего персонала, то в целях повышения надежности аппаратно-программного комплекса целесообразен постоянный контроль температуры воздуха в насосной. Для этого может быть выбран термометр сопротивления медный типа ТСМ-8006.

Терморезистор сопротивления обладает следующими преимуществами: обеспечивает приемлемую линейность, точность измерения до 0.1° С, диапазон измерений от - 200° С до + 600° С, коэффициент преобразования Кпр=0.1...10 мс. Однако термометры сопротивления требуют многих элементов сопряжения, высококачественную линию связи. Кроме того, они имеют значительные габариты, массу, инерционность. При применении любого термодатчика необходимо в комплекте с ним применять промежуточный преобразователь, предназначенный для преобразования сигнала термодатчика в унифицированный сигнал постоянного тока 0-5 мА или напряжение 10В. Принцип действия преобразователя основан на статической автокомпенсации. Сигнал от термометра поступает на измерительный мост и далее на входной усилитель, выполненный по схеме модулятор-демодулятор. Демодулированный сигнал усиливается выходным усилителем постоянного тока, выходной сигнал которого поступает на нагрузку и устройство обратной связи. Входные и выходные цепи не имеют гальванической связи с цепями питания и между собой.

Все типы преобразователей являются одноканальными, то есть для каждого термометра должен использоваться свой преобразователь. Лучшие характеристики имеет преобразователь типа Ш705: основная погрешность - 0.5-1.12%, сопротивление линий связи с термопреобразователем - 10 Ом, потребляемая мощность - 11В, быстродействие -0.5 с, габаритные размеры - 60*160*350, масса - 3.5 кг. Следовательно, его применение в телемеханической системе наиболее эффективно.

2.2.1.2. Датчики для измерения давления

 Давление - параметр, который характеризует протекание процессов на ТНС. При выборе датчиков давления руководствуются требованием преобразования величины давления в унифицированный выходной сигнал. Существует несколько различных типов датчиков:

– датчики давления с мембранами (прогибы мембраны преобразуются в изменения сопротивления резистора или в изменение индуктивности обмоток выходного преобразователя);

– датчики давления с мембранами и пьезоэлементами (возникновение электрических зарядов на рабочих гранях пьезоэлемента при приложении к нему давления);

– датчики давления с мембранами и тензометрическими преобразователями (давление, приложенное к мембране, преобразуется в изменение сопротивления тензоэлемента);

– емкостные датчики давления (давление, приложенное к мембране, преобразуется в изменение сопротивления тензоэлемента);

– датчики давления с манометрическими трубчатыми пружинами. Сравнительный анализ датчиков давления с различными принципами действия показал, что наиболее целесообразно в телемеханической системе применить датчики давления типа Сапфир-22ДИ, принцип действия которого основан на прогибе металлической мембраны (чувствительный элемент), который сначала преобразуется в изменение сопротивления потенциометра, а затем последнее - в ток на выходе датчика.

2.2.1.3. Датчик пожарной сигнализации

 В настоящее время используются системы автоматического обнаружения пожара по трем факторам: теплу, дыму, пламени. Наиболее распространены тепловые пожарные извещатели следующих типов:

– максимального действия, срабатывающие при превышении температурой расчетной величины;

– максимально-дифференциальные, объединяющие свойства извещателей максимального и дифференциального типов;

– дифференциальные, реагирующие на быстрое повышение температуры.

Все существующие тепловые извещатели обнаруживают пожар, когда он достигает значительных размеров. Время обнаружения пожара позволяет снизить использование пожарных извещателей, формирующих сигнал пожарной тревоги при появлении пульсации температуры конвективного потока над очагом пожара. Такой извещатель отвечает следующим требованиям: реагирует на переменную составляющую колебаний температуры в определенном частотном диапазоне, не выдает сигналов тревоги при воздействии мешающих факторов, создаваемых работой оборудования. Для повышения надежности системы пожарной сигнализации в телемеханической системе установлены дополнительные датчики дыма.

2.2.1.4. Датчики охранной сигнализации

 Должны обеспечивать неприкосновенность пункта учета тепловой энергии. Возможно применение следующих систем охраны: шлейфового типа, на базе инфракрасных световых передатчиков и приемников, на базе радиоволн, на базе ультразвука. Наиболее простая и дешевая система шлейфового типа. В ней используются замыкающие или размыкающиеся электрические контакты, то есть электрическая цепь замыкается или размыкается механическим способом. Шлейф образуется из полосок свинцовой фольги, наклеиваемой по периметру замкнутого пространства, в котором находится пункт учета тепловой энергии. Шлейф соединяется с преобразователем охранной сигнализации. При обрыве шлейфа на выходе преобразователя охранной сигнализации появляется сигнал тревоги, поступающий в передающую аппаратуру ТМС для передачи сигнала на диспетчерский пункт. В состав системы охранной сигнализации введен выключатель входа-выхода, приводящий к задержке на несколько секунд в действии системы и позволяющий входить и выходить из охраняемого объекта, не вызывая сигнала тревоги. Сигнал тревоги, поступивший на диспетчерский пункт с охраняемого объекта, может отменить только прибывший на тепловую насосную станцию обслуживающий персонал.

2.2.1.5. Датчики для сигнализации затопления приямка сетевых труб

Возможно применение двух вариантов датчиков: поплавкового и реле уровня. В настоящее время существуют поплавковые датчики заводского изготовления, например, датчик уровня РО-1. Возможна настройка на четыре значения уровня воды. Реле уровня основано на замыкании контакта при соприкосновении с жидкостью. Существуют следующие видов таких реле: РОС-101-011, РОС-101011И, РОС-101021, РМ-51.

Для контроля за данным параметром эффективным будет использование датчика с контактными электродами (реле уровня), так как он прост, дешев и надежен.

2.2.2. Линии связи

Для передачи телемеханических сигналов каждый комплект телемеханической аппаратуры пункта учета тепловой энергии должен соединяться с аппаратурой ДП линией связи того или иного вида. В состав канала связи входят кодирующая и декодирующая аппаратура, формирователь канальных сигналов, модулятор и демодулятор, а также линия связи. Такое обобщенное представление тракта передачи информации позволяет рассматривать различные модели каналов связи с учетом действующих помех, представлять свойства или характеристики каналов определенными функциональными зависимостями, которые учитывают информационные соотношения между входным и выходным множествами сигналов.

Линии связи являются основным, наиболее характерным и определяющим звеном системы передачи информации. От ее состояния, прежде всего, зависит надежность действия всей ТМС в целом. Свойства, параметры и характеристики линии связи, а также их стабильность во времени и при изменении внешних условий определяют энергетические требования, предъявляемые к сигналу, оказывают влияние на его формирование и на используемые методы передачи, на принципы построения схемных решений приемопередающей аппаратуры.

Все линии связи можно разделить на два больших класса: проводные и беспроводные. Проводные линии по исполнению подразделяют на воздушные и кабельные. Для кабельных линий связи применяют специальной конструкции систему металлических проводов - кабель, в которую входят кроме различного числа пар проводов с соответствующими скрутками их в четверки и объединением в повивы, дополнительные средства повышения механической и электрической прочности: специальная изоляция, экраны, различные покрытия. Для проводных линий свойственен электрический процесс (движение свободных электронов), который используется в качестве переносчика. Сооружение проводных линий требует затрат, превосходящих в большинстве случаев затраты на аппаратуру телемеханики.

Беспроводные линии связи, как естественно существующие физические среды, подразделяют на радио и гидравлические линии. Радиолинией, для которой характерен процесс распространения электромагнитных волн, принято называть околоземное и космическое пространство. Реально используемый диапазон частот для излучения электромагнитной энергии определяется частотами 3*10 -3*10 Гц. В последние годы были созданы генераторы оптического излучения - лазеры, возбуждающие электромагнитные колебания с частотами от 3*10- 3*10 Гц. Существующая специфика излучения в этом диапазоне обусловила его выделение в так называемую оптическую линию связи. В настоящее время широко распространены следующие виды линий связи:

– воздушные или кабельные проводные линии;

– радиолинии;

– линии энергоснабжения, используемые для организации каналов связи телемеханической системы;

– каналы связи, организуемые на линиях городской телефонной сети (ГТС);

– оптические линии связи.

Общим требованием, предъявляемым к каналам связи, является обеспечение максимальной скорости передачи сообщений при минимальных искажениях, вызываемых неисправностями аппаратуры и действием помех [5].

Рассмотрим линии связи относительно их применения в проектируемой телемеханической системе.

Проводные линии связи. Сооружение воздушных проводных линий связи в условиях крупного города практически осуществить невозможно. Прокладка кабельных линий связи потребует многочисленных согласовании с владельцами многочисленных коммуникаций города. При эксплуатации проводных линий связи высока вероятность их повреждения. Кроме того, стоимость как воздушной, так и кабельной линии связи, при современных ценах на материалы и строительно-монтажные работы, была бы чрезмерно высокой. Поэтому, даже учитывая то, что воздушные и кабельные линии отвечают критерию эффективности, их использование в существующих условиях нецелесообразно.

Радиолинии. В настоящее время радиолинии - один из распространенных видов связи, используемый для передачи сигналов различного назначения и характера. Характеристики радиолинии, в первую очередь, определяются значениями частот (длинами волн), выбранными для организации радиоканалов. Наиболее важное значение имеют локальность связи, надежность передачи сигналов, помехоустойчивость. Локальность связи заключается в том, чтобы система, работающая на данной радиолинии, не оказывала влияния на все посторонние приемники, а передатчики этих посторонних систем не должны влиять на приемники данной системы. Этим требованиям лучше всего удовлетворяет ультразвуковой диапазон (УКВ). К этому диапазону относят электромагнитные волны, длина которых меньше 10 метров. Применение УКВ для целей связи объясняется следующими факторами:

1) диапазон УКВ очень широк. В этом диапазоне, не учитывая миллиметровых волн, можно без взаимных помех разместить более 10000 систем по 600 каналов в каждой;

2) связь на УКВ отличается высокой устойчивостью и надежностью, а также отсутствием атмосферных и промышленных помех;

3) мощность передатчиков УКВ может быть небольшой, так как антенные устройства этого диапазона имеют сравнительно небольшие размеры и выполняются остронаправленными.

Линии электроснабжения, используемые для организации каналов связи ТМС. Высоковольтные линии электропередач (ЛЭП) и распределительные электрические сети (РЭС) используются в некоторых ТМС в качестве линий связи. В этом случае передача телемеханической информации осуществляется высокочастотными сигналами, то есть на ЛЭП и РЭС организуется высокочастотный канал связи (на частотах тысяч и десятков тысяч Гц). Применение высокочастотных каналов телемеханики на ЛЭП и РЭС дает большой экономический эффект, так как отпадает необходимость в сооружении собственной линии связи.

Путем применения высокочастотных перемычек, обеспечивающих обход силовых трансформаторов, в одной системе могут использоваться одновременно как ЛЭП, так и РЭС. Такие линии, построенные в соответствии с требованиями к подобным сооружениям, имеют высокую электрическую и механическую прочность, что обуславливает надежность тракта передачи телемеханических сигналов. Для организации высокочастотной линии связи на ЛЭП и РЭС используется дорогостоящий набор технических средств: аппаратура присоединения, высокочастотные заградители, высокочастотные перемычки   - для    обхода силовых трансформаторов.

Структура ЛЭП и РЭС Солнечного и Приволжского микрорайонов характеризуется высокой разветвленностью и многочисленными потребителями, что привело бы к необходимости применения большого числа технических средств организации высокочастотной линии связи, а, следовательно, к высокой стоимости сооружения и эксплуатации этих линий. Следует отметить, что обслуживание канала связи усложняется высокими напряжениями ЛЭП и РЭС. На основании этого можно сделать вывод о нерациональности использования таких линий связи в данной телемеханической системе.

Каналы связи, организуемые на линиях городской телефонной сети. Возможны два способа организации каналов связи на линиях ГТС. Первый способ заключается в использовании в системе некоммутируемых телефонных пар в телефонных кабелях, то есть пар, на длительное время закрепленных за телемеханической системой. Второй способ основан на соединении коммутируемых линий, то есть соединения двух абонентов происходит как при обычном наборе телефонного номера.

Проанализируем оба способа:

1) использование некоммутируемых пар в телефонных кабелях. В этом случае пары жил постоянно соединяют контролируемую тепловую насосную станцию с диспетчерским пунктом. В том случае, если КП и ДП могут быть подключены друг к другу через одну или несколько АТС, то на этих АТС должны быть установлены постоянные перемычки, соединяющие соответствующие жилы между собой. Выделенные пары проводов в кабелях ГТС используют только в телемеханике тепловых сетей. Использование проводов кабелей ГТС является эффективным способом организации канала связи для данной ТМС по следующим причинам: исключается необходимость в капитальных затратах на сооружение или организацию линий связи, а также снимается вопрос о поддержании линии связи в работоспособном состоянии;

2) использование коммутируемых пар. В этом случае дополнительные пары не требуются, и система телемеханики использует те телефонные пары, которые введены в ТНС для телефонной связи. В этом случае телемеханическая аппаратура насосной станции для передачи информации на ДП через ГТС организует соединение двух пунктов: ДП и КП. Если соединение состоялось, то телемеханическая информация передается. Достоинство: нет необходимости в дополнительно постоянно выделенных коммутируемых парах. Недостаток: передача информации полностью зависит от быстроты соединения двух пунктов. В принципе, применение коммутируемых пар возможно.

Оптические линии связи. В этом случае передача информации осуществляется световым лучом. Может использоваться передающая среда двух видов: атмосфера или оптоволоконный кабель. Для оптических линий, использующих атмосферу, характерны:

– высокая стоимость аппаратуры для организации канала;

– значительные эксплуатационные расходы;

– зависимость характеристик оптического канала от ряда случайных факторов.

Использование оптоволоконного кабеля сопряжено с большими затратами на его приобретение, трудностями с прокладкой в условиях крупного города, стоимостью приемопередающей аппаратуры, высокой вероятностью повреждения кабеля. Использование оптической линии связи в проектируемой ТМС не рационально.

В данной ТМС применены радиолинии в диапазоне УКВ частот. Так как расстояние между КП и ДП небольшие, то предполагается применить радиостанцию, обеспечивающую дальность передачи сигналов до 15 километров. Этому требованию удовлетворяет радиостанция “Лен”, изготавливаемая в Белоруссии. Ее дальность передачи составляет 10 километров.

2.2.3. Модем

Модем предназначен для преобразования последовательного цифрового кода в частотно-манипулированный сигнал (и обратно), пригодный для передачи по физическому каналу на значительное расстояние. Модем работает над преобразованием последовательного цифрового кода в частотно-манипулированный сигнал или частотно-манипулированного сигнала в последовательный цифровой код в зависимости от того, в какую сторону идут данные. Если данные приходят в модем из физической линии, то идет процесс преобразования частотно-манипулированного сигнала в последовательный цифровой код, т.е. демодуляция. Если модем сам передает данные в линию, то идет процесс преобразования последовательного цифрового кода в частотно-манипулированный сигнал, т.е. модуляция.

Модемы подразделяются по скорости модуляции-демодуляции. Современные модемы способны передавать и принимать данные со скоростью 56,6 Кб/сек [6].

В данном проекте такая высокая скорость не нужна, т.к. передается относительно малый объем информации, к тому же стоимость высокоскоростных модемов велика, поэтому используется модем со скоростью обмена данными 2400 байт/сек.

2.3. Структурные решения по программному обеспечению периферийного устройства

Периферийное устройство (контроллер) содержит в себе однокристальную ЭВМ, которая имеет свой внутренний язык ассемблер. На этом языке реализовано программное обеспечение для контроллера. Это программное обеспечение позволяет по сигналу из диспетчерского пункта считывать данные с тепловычислителя и направлять их на модем, который генерирует импульсы и посылает их на радиостанцию. В случае пожара, взлома или затопления пункта учета тепловой энергии, контроллер получает соответствующий сигнал и производит соединение с диспетчерским пунктом, и сообщает об аварии.

На диспетчерском пункте находится компьютер, через который производится слежение за параметрами на пунктах учета тепловой энергии. На компьютере есть программа написанная на языке высокого уровня, которая обеспечивает оператору интерактивный интерфейс с периферийным устройством и позволяет посылать контроллеру различные команды. Программа содержит в себе математический аппарат для расчета, учета, архивирования и хранения необходимых параметров.

3. Разработка периферийного устройства

3.1. Выбор элементной базы

В настоящее время стремительно развивается микроэлектроника и микропроцессорные системы. В этих областях, как ни в каких других, находят свое широкое применение высокие технологии, быстрее всего внедряются новые технические решения, новые технологии, растет мощность вычислительных элементов с одновременным уменьшением их размеров. Для данного проекта было выбрано одно из таких решений - микроконтроллер AT90S1200, фирмы Atmel. Ниже я постараюсь привести доказательства правильности своего выбора.

Логотип фирмы Atmel в настоящее время уже достаточно хорошо известен российским техническим специалистам в области микроэлектроники. Основанная в 1984 году, фирма Atmel Corp., США, определила сферы приложений для своей продукции как телекоммуникации и сети, вычислительную технику и компьютеры, встраиваемые системы контроля и управления, бытовую технику и автомобилестроение. Atmel сегодня - это прогрессивная компания, выпускающая сложные изделия современной микроэлектроники; это один из признанных мировых лидеров в производстве широкого спектра устройств энергонезависимой памяти высокого быстродействия и минимального удельного энергопотребления, микроконтроллеров общего назначения и микросхем программируемой логики от простейших устройств PAL и GAL до микросхем СБИС CPLD и FPGA. Достаточно сказать, что практически все базовые кристаллы промышленного стандарта MCS51 фирмы Intel успешно заменены прямыми аналогами семейства AT89 фирмы Atmel. Эти скоростные, полностью статические 8-разрядные КМОП микроконтроллеры с многократно модифицируемой Flash-памятью программ, низким энергопотреблением и широким диапазоном допустимых напряжений питания, аппаратно и программно совместимы с соответствующими микроконтроллерами Intel и пользуются заслуженной популярностью у разработчиков и производителей электронной аппаратуры.

Однако, хочется подробнее познакомиться с еще одним крайне интересным направлением современной микроэлектроники, активно развиваемым фирмой Atmel. Это новое семейство высокопроизводительных 8-разрядных RISC (Reduced Instruction Set Computers) микроконтроллеров общего назначения, объединенных общей маркой AVR [7].

Замысел создания AVR родился в исследовательском центре Atmel в Норвегии. Группа разработчиков (инициалы некоторых из них, кстати, и сформировали марку "AVR": Alf Bogen / Vergard Wollan / Risc architecture) предложила ряд идей, которые легли в основу концепции AVR - микроконтроллеров:

Страницы: 1, 2, 3, 4