Микропроцессорные системы автоматизации технологических процессов


Н. И. ЖЕЖЕРА









                МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ





Учебное пособие












2-е издание












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 681.5:620.165.29.008.6 (075.8)
ББК 32.965я7
      Ж47







Р е ц е н з е н т :

кандидат технических наук, доцент кафедры управления и информатики в технических системах Оренбургского государственного университета В. В. Тугое







     Жежера, Н. И.
Ж47       Микропроцессорные системы автоматизации технологических про     цессов : учебное пособие / Н. И. Жежера. - 2-е изд. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 240 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0517-1

     Рассмотрены вопросы проектирования систем автоматизации технологических процессов и объектов на основе использования в них микропроцессорных устройств и комплексов. Приводятся функциональные схемы автоматизации и принципиальные электрические схемы блоков и модулей ввода, обработки информации и вывода управляющих воздействий на исполнительные механизмы микропроцессорных систем автоматизации технологических процессов.
     Для студентов и аспирантов, обучающихся по направлениям подготовки 15.03.04 и 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также для научных работников и инженеров при проектировании микропроцессорных систем автоматизации технологических процессов.

                                        УДК 681.5:620.165.29.008.6 (075.8)
                                        ББК 32.965я7




ISBN 978-5-9729-0517-1

  © Н. И. Жежера, 2020
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

        Содержание


Введение.................................................5
1 Функциональные схемы автоматизации технологических процессов................................................6
2  Нормализация сигналов от датчиков и ввод их в микропроцессорную систему автоматизации технологических процессов (MCA ТП).......................61
2.1 Типы сигналов, вводимых в MCA ТП.....................61
2.2 Ввод аналоговых сигналов в MCA ТП....................64
2.3 Компоновка блока нормализации сигналов от датчиков и ввода их в MCA ТП.......................................79
2.4 Модуль ограничения аналоговых сигналов по максимуму и выбора необходимой чувствительности измерительных преобразователей........................................81
2.5 Модуль усиления и фильтрации аналоговых сигналов.....82
2.6 Модуль ввода в MCA ТП сигналов от дискретных датчиков... .88
2.7 Mодуль формирования инициативных сигналов от аналоговых датчиков......................................88
2.8 Cхемы выборки и хранения аналоговых сигналов.........98
2.9 Mодуль преобразования аналоговых сигналов от датчиков в цифровые коды и ввода их в MCA ТП....................104
3 Устройство и принцип действия блока микропроцессора системы автоматизации технологических процессов........125
3.1 Основные элементы блока микропроцессора системы автоматизации технологических процессов................125
3.2 Дешифратор адреса первой ступени MCA ТП............128
3.3 Дешифраторы адреса второй ступени для ПЗУ и ОЗУ....134
3.4 Дешифраторы адреса доступа к кристаллам таймеров и контроллеров прерывания..............................139
3.5 Буферы шины адреса MCA ТП............................146
3.6 Буферы шины данных MCA ТП..........................154

3

3.7 Регистр слова состояния и регистр данных, выводимых на сегменты индикаторов...............................158
4  Блок клавиатуры, индикации, таймеров и контроллеров прерывания MCA ТП.....................................163
4.1 Программируемый таймер типа КР580ВИ53.............164
5  Блок прямого доступа к памяти и вывода информации на дисплей...............................................186
5.1 Основные элементы блока прямого доступа к памяти и вывода информации на дисплей........................186
5.2 Организация прямого доступа к памяти и вывода информации на дисплей.................................192
6  Блок вывода данных на исполнительные механизмы, печать и графопостроитель.............................195
7  Организация ввода данных от датчиков и вывода управляющих сигналов на ИМ............................203
8  Формирование сигналов управления в MCA ТП..........210
8.1 Запись данных в память (ОЗУ) или внешнее устройство (ВУ).......................................210
8.2 Синхронизация работы МП и регистра слова состояния.............................................210
8.3 Формирование сигнала «удлиненный DBIN»............212
8.4 Формирование сигналов I/OR (чтение ВУ) и MEMR (чтение ОЗУ и ПЗУ)....................................214
8.5 Формирование сигналов CS и SEL для управления буферами шины данных.................................214
8.6 Формирование сигналов прерывания в MCA ТП.........217
8.7 Формирование сигнала RDY («готовность»)...........220
Список использованных источников......................223
ПРИЛОЖЕНИЕ A. Примеры схем микропроцессорной
                  системы автоматизации технологических процессов...........225

4

        Введение


     В настоящее время на промышленных предприятиях при автоматизации технологических процессов и объектов широко используются микропроцессорные устройства и комплексы. Это связано с рядом положительных особенностей микропроцессоров как элементов управляющих устройств систем автоматизации, основными из которых являются [1, 2] программируемость и относительно большая вычислительная мощность, сочетающиеся с достаточной надежностью, малыми габаритными размерами и стоимостью.
     В учебном пособии приведены примеры функциональных схем автоматизации технологических процессов и схемы блоков, модулей, устройств и отдельных фрагментов микропроцессорных систем автоматизации технологических процессов. Это составляет основную часть микропроцессорных систем управления технологическими процессами и производствами.
     Рассматриваемые в учебном пособии микропроцессорные схемы позволяют автоматизировать различные технологические процессы. В зависимости от производственной целесообразности для конкретного технологического процесса или объекта автоматизации выбирается необходимое количество систем местного и дистанционного контроля, систем регулирования, управления, сигнализации и диагностирования.
     Блоки и модули, рассматриваемые в пособии, согласованы для работы в комплекте с микропроцессором КР580ИК80А. Однако почти все схемы этих блоков и модулей могут использоваться при разработке систем автоматизации технологических процессов с использованием других микропроцессоров и микроЭВМ.
     Учебное пособие предназначена для магистров и бакалавров специальностей 15.04.04 и 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также для научных работников и инженеров при проектировании микропроцессорных систем автоматизации технологических процессов.

5

Функциональные схемы автоматизации технологических процессов

     Функциональная схема автоматизации является одним из основных проектных документов, определяющих структуру и уровень автоматизации технологического процесса участка (цеха) или отдельного объекта и оснащение его средствами автоматизации. Функциональная схема представляет собой чертеж, на котором при помощи условных изображений показывают технологическое оборудование, коммуникации, органы управления, средства автоматизации, включая вычислительную технику.
     Функциональная схема автоматизации является основанием для выполнения других схем автоматизации, например, принципиальных электрических и принципиальных гидропневматических схем систем управления, регулирования, сигнализации и блокировок, монтажных схем местных и центральных щитов и пультов управления.
     Функциональная схема автоматизации разрабатывается в соответствии с ГОСТ 21.404 - 85 [3]. По этому стандарту первичный измерительный преобразователь (датчик) или прибор, установленный по месту, обозначается в виде окружности диаметром 10 мм, а прибор, установленный на щите или пульте управления - в виде окружности диаметром 10 мм, разделенной горизонтальной линией пополам. Допускается обозначать эти устройства в виде эллипса с размерами по осям, равным 10 и 15 мм.
     В приборах, устанавливаемых по месту, на щите или пульте управления, в верхней части окружности указываются буквенные обозначения измеряемых (регулируемых) величин и функциональные признаки приборов, а в нижней части окружности - номер позиции прибора в проектируемой системе управления.
     Буквенные обозначения измеряемых величин и функциональных признаков приборов, согласно ГОСТ 21.404 - 85, располагается на семи знакоместах. На первом знакоместе в обозначении прибора указывается измеряемая величина, а именно:

6

     D - плотность;
     E - любая электрическая величина;
     F- расход;
     G - размер, положение, перемещение;
     H - ручное воздействие;
     К - время, временная программа;
     L - уровень;
     М - влажность;
     Р - давление, разряжение;
     Q - качество, состав, концентрация;
     S - скорость, частота;
     Т - температура;
     U - несколько разнородных величин;
     W - масса;
     V - вязкость.
     Другие буквы имеют свободное применение, но часто букву N используют в обозначении магнитных пускателей и контакторов, а букву В - в устройствах погасания факела.
     На втором знакоместе обозначения прибора указывается буква уточняющая, измеряемую величину, а именно:
     D - разность, перепад давления;
     F - соотношение, дробь;
     J - автоматическое переключение, суммирование, интегрирование;
     T - промежуточное преобразование сигнала, дистанционная передача сигнала;
     E - устройство, осуществляющее первичное преобразование (датчик);
     Y - преобразователь сигналов (например, электрического в гидравлический) или вычислительное устройство;
     K - устройство, имеющее переключатель.
     Функциональные признаки приборов указываются буквами, расположенными с третьего по седьмое знакоместо, а именно соответ

7

ственно:
     I - показания;
     R - регистрация;
     С - регулирование;
     S - включение, выключение, переключение (контактное устройство);
     A - сигнализация.
     На рисунке 1 приведены примеры условных обозначений приборов, расположенных по месту (окружности без черты) и на щите управления (окружности с горизонтальной чертой). В примерах приборов по месту приведены:
     - измерительные первичные преобразователи (датчики):
     1      - температуры, 2 - расхода, 3 - уровня, 4 - скорости, 5 - давления^ - массы, 7 - плотности, 8 - влажности, 9 - положение (обычно регулирующего органа), 10 - погасание факела;
     - измерительные и показывающие приборы:
     11      - температуры, 12 - расхода, 13 - плотности, 14 - электрической величины; 15 - показывающий и регистрирующий прибор температуры;
     - преобразователи:
     16 - преобразователь давления, преобразующий пневматический (гидравлический) сигнал в электрический; 17 - преобразователь расхода, преобразующий электрический сигнал в суммирование расхода среды; 18 - преобразователь расхода, преобразующий аналоговый сигнал в дискретный; 19 - преобразователь расхода, умножающий сигнал на коэффициент К; 20 - преобразователь расхода, дифференцирующий сигнал по расходу среды;
     - регулятор уровня 21, отрабатывающий ПИ закон управления.
     В примерах приборов, расположенных на щите управления (рисунок 1), представлены:
     1 - регулятор давления, отрабатывающий ПИД закон управления; 2-магнитный пускатель (расположенный на щите, но обычно он располагается по месту); 3, 4, 5 - кнопки управления соответственно с

8

Рисунок 1

одним, двумя и тремя толкателями; 6 - переключатель работы на три положения; 7 -переключатель многоточечный на 4 или 12 точек; 8 -GS - конечный или путевой выключатель; 9 - прибор, показывающий положение регулирующего органа; 10 - реле скорости конвейеров с сигнализацией; 11 - прибор, показывающий электрическую величину (ток, напряжение, мощность); 12 - контактное и сигнализирующее устройство погасания факела; 13 - прибор температуры показывающий и регистрирующий; 14 - прибор расхода среды регистрирующий.
     Функциональные схемы автоматизации технологических процессов могут быть разработаны с использованием локальных (индивидуальных) средств автоматизации или с использованием централизованных средств автоматизации на основе микропроцессорных устройств и систем.
     В качестве примера функциональной схемы первого вида на рисунке 2 приведена функциональная схема теплопаровой установки машиностроительного предприятия. Установка содержит барабан 3 с экранными трубами 4 и топку 2. В топку по трубопроводу 1 поступает на сжигание природный газ, а по трубопроводу 5 подается воздух.
     Тепло от сжигаемого в топке газа воспринимается водой через экранные трубы. Вода закипает в экранных трубах, и в верхней части барабана 3 накапливается водяной пар. Пар по трубопроводу 7 поступает на пароперегреватель установки, а затем на производство.
     Вода в барабан 3 подается по трубопроводу 6, предварительно подогреваясь в экономайзере уходящими продуктами сгорания газа. Воздух поступает в топку по воздухопроводу 5 и также подогревается продуктами сгорания природного газа в воздухоподогревателе.
     На рисунке 2 представлена только первая половина полной функциональной схемы автоматизации теплопаровой установки. Эта часть схемы содержит систему дистанционного управления задвижкой 1г, обеспечивающей подачу или полное прекращение поступления природного газа на сгорание в топку.
     Контроль давления природного газа по месту и на щите управления осуществляется манометрами 2а и 2б.

10

Рисунок 2

     Снижение давления до заданного значения, обеспечивающего оптимальное сгорание топлива в топке, осуществляется регулятором давления прямого действия 5 а.
     Учет количества природного газа, поступающего на сгорание, и показание его расхода осуществляется вторичным прибором 4в, работающим в комплекте с дифманометром 4б и камерной диафрагмой 4а. Регулирование давления пара в паропроводе 7 и барабане 3 проводится изодромным регулятором 5 г путем изменения подачи газа в топку на сгорание с помощью регулирующей заслонки 5л.
     В эту систему регулирования входят также задатчик 5 в, измерительные преобразователи 5а и 5б, исполнительный механизм 5з с магнитным пускателем 5ж, ключом управления 5в и переключателем режимов управления 5е. Положение регулирующей заслонки воспринимается датчиком 5и и отображается прибором 5к.
     Регулирование соотношения природный газ - воздух, поступающих в топку на сгорание, осуществляется локальным регулятором 7г. Сигнал по расходу газа на регулятор 7г поступает от диафрагмы 7а и дифманометра 7б. Изменение подачи воздуха регулятор проводит с помощью регулирующей заслонки 7л. Автоматика безопасности горения топлива в топке содержит сигнализатор падения давления газа 8а, сигнализатор падения давления воздуха 8б и сигнализатор погасания факела в топке 8г с датчиком 8и. При отклонении этих параметров от установленных значений срабатывает клапан 8ж с приводом 8е и полностью прекращается поступление топлива в топку.
     Функциональные схемы автоматизации с использованием локальных средств автоматизации разрабатываются в настоящее время редко из-за реализации систем управления с использованием микропроцессорных элементов и систем. На основе микропроцессорных устройств разрабатываются системы автоматизации централизованного управления, позволяющие увеличить объем обрабатываемой информации, увеличить быстродействие, улучшить качество управления и повысить безаварийность работы оборудования.
     На рисунке 3 приведена функциональная схема автоматизации,

12