Введение

Цель и содержание работ. Целью лабораторных работ по дисциплине "Микропроцессорные устройства судовых электроэнергетических систем" является закрепление знаний, получаемых в процессе ее изучения, посредством исследований характеристик микропроцессорных устройств и систем на их основе в составе электроэнергетических установок постоянного и переменного тока лаборатории электроэнергетики кафедры электрификации и автоматизации судов.

Выполнение лабораторных работ способствует развитию навыков проведения экспериментов, обработки и анализа экспериментальных данных, сопоставления их с теоретическими данными, формулировки выводов как результатов выполнения конкретных лабораторных исследований, получению представления о желаемых и реально достижимых эксплуатационных характеристиках и типовых схемных решениях основных функциональных элементов и устройств микропроцессорных систем в электроэнергетике.

В составе лаборатории микропроцессорных систем электроэнергетики используются автоматизированные рабочие места на основе персональных компьютеров типа IBM PC, а также комплекты печатных плат, блоков питания, соединительных жгутов и программного обеспечения для работы с типичными образцами семейств микроконтроллеров ведущих фирм производителей: Intel (MCS-196), Atmel (AT-80c2051, AT-90), Altera (PLD), Siemens (MCS-167), Analog Devices (ADSP-2080x), MicroChip (PIC16F877), Texas Instruments (DSP TMS-320c25).

Персональные компьютеры объединены в локальную сеть Ethernet, что способствует при выполнении лабораторных работ изучению и закреплению навыков в работе студентов с применением современных сетевых технологий. Каждое рабочее место обеспечивает возможность хранения, передачи и использования совместных ресурсов сети, способствует построению и эксплуатации класса иерархических распределенных систем управления для электроэнергетических объектов, а также класса автоматизированных систем сбора и обработки данных, предназначенных для автоматизации процессов настройки, наладки и испытаний электрооборудования.

Большинство указанных микроконтроллеров может быть использовано в различных лабораторных работах. Это подтверждает их универсальность и гибкость в применении. Кроме того, выполнение одной и той же лабораторной работы, но с применением различных микроконтроллеров позволяет более глубоко изучить решаемую задачу, а также понять различия и почувствовать особенности их использования. Это дает возможность организовать несколько учебных циклов: от ознакомительных до углубленного изучения особенностей архитектур микроконтроллеров.

Содержание каждой лабораторной работы включает:

1. Изучение конструкции, состава и схемы конкретного микропроцессорного устройства.

2. Изучение технических характеристик конкретного микропроцессорного устройства.

3. Знакомство с технологией программирования и настройки микропроцессорных устройств.

4. Изучение средств и способов связи микропроцессорных устройств с электроэнергетическими объектами и системами верхнего уровня.

5. Выполнение экспериментов на электроэнергетических установках.

6. Обработку и анализ данных, полученных в ходе выполнения экспериментов, а также осмысление результатов и формулировку выводов по проделанной работе.

В ходе лабораторных работ студенты знакомятся с методикой регистрации и обработки результатов экспериментов, используя средства вычислительной техники.

Порядок выполнения работ. В начале цикла лабораторных работ каждый студент должен пройти инструктаж по технике безопасности с учетом особенностей электрооборудования лаборатории. Лабораторные работы выполняются бригадой студентов, состоящей из 2 – 4 человек. В процессе предварительной подготовки к лабораторной работе студенты должны ознакомиться с теоретическим материалом курса, относящимся к задачам предстоящей работы. Перед выполнением работы преподаватель проводит инструктаж и контрольную проверку степени подготовленности бригады.

Лабораторные работы выполняются в два-три этапа.

Первый этап посвящен подготовке и освоению микропроцессорной части систем. На данном этапе достаточно пользоваться техническими паспортами конкретных лабораторных стендов для изучения средств микропроцессорной техники и руководствами по использованию программного обеспечения.

Второй этап посвящен натурным экспериментам на реальных объектах лаборатории электроэнергетики. На этом этапе необходимо дополнительно использовать технические описания соответствующих электроустановок, в которых приведена вся необходимая информация по выполнению технологических операций, назначению органов управления, техническим параметрам энергообъектов и средствам измерения. Следует учитывать, что данные электроустановки уже использовались в предыдущих специальных курсах ("СЭЭС" и "Настройка СЭО") и знакомы студентам, но теперь выступают в новом качестве – в качестве объектов приложения средств микропроцессорной техники, что должно наглядно демонстрировать свойства последних.

Третий этап посвящен обработке результатов экспериментов. На этом этапе желательно и целесообразно всемерно использовать средства вычислительной техники, в том числе предоставляемые лабораторией.

Экспериментальная часть работ, связанная с необходимостью включения электроустановок, выполняется с разрешения преподавателя. По окончании натурных экспериментов все регулирующие органы должны быть приведены в исходное положение, а электроустановка обесточена.

Результаты, полученные в процессе работы и оформленные в виде протокола испытаний, подписываются у преподавателя.

Задание на следующую работу бригада получает по окончании выполнения предыдущей работы.

Требования к оформлению отчета и процедура защиты. Отчет оформляется на листах формата А4 каждым членом бригады индивидуально. Титульный лист должен содержать следующие сведения:

• наименование учебного заведения;

• название факультета;

• наименование работы;

• фамилию и инициалы преподавателя;

• номер группы, фамилию и инициалы студента;

• дату проведения работы.

В отчете должны быть отражены следующие материалы:

• цель работы;

• основные технические данные используемого оборудования, средств измерения и регистрации;

• структурная схема исследуемой установки;

• результаты исследований и расчетов, оформленные в виде таблиц и графиков;

• анализ результатов и выводы по работе.

Защита лабораторных работ производится только при наличии отчета, оформленного в соответствии с изложенными требованиями, и проводится в форме собеседования преподавателя и студента. В ходе защиты обсуждаются основные аспекты представленного материала, подтверждается умение студента самостоятельно выполнять указанные в отчете эксперименты, технически грамотно объяснять закономерности, лежащие в основах полученных характеристик.

Перечень объектов лаборатории электроэнергетики для проведения натурных экспериментов и осциллографирования:

1. Функциональные генераторы (программно-физическая модель СЭЭС).

2. Лабораторный стенд (№ 6 и 7) для исследований аварийных режимов ЭЭС (короткие замыкания и пусковые режимы).

3. Лабораторный стенд (ГРЩ) для исследований процессов синхронизации и параллельной работы генераторных агрегатов.

4. Лабораторные стенды (№ 3, 5, 9) для исследований систем автоматического регулирования.

5. Лабораторные стенды для настройки электрооборудования.

Лабораторная работа 1

Контроллер с дискретными входами и выходами

в системах защитной автоматики энергообъектов

Цель работы: знакомство с конструкцией, составом и схемой контроллера; знакомство с технологией программирования контроллера; экспериментальная проверка функционирования контроллера в составе электроустановки и определение характеристик системы защитной автоматики.

Общие сведения

Контроллеры с дискретными входами и выходами могут использоваться в устройствах или системах, в которых различные состояния объекта контроля и управления полностью могут быть представлены лишь дискретными сигналами. Такими сигналами являются сигналы от контактных групп реле, контакторов, датчиков положения, конечных выключателей, датчиков уровней и тому подобных устройств, когда имеет значение, в каком из двух возможных состояний находится цепь: "замкнуто" или "разомкнуто".

Таким образом, дискретные сигналы могут принимать только одно из двух допустимых логических значений 0 или 1. В реальных системах этому, как правило, соответствуют определенные значения токов и напряжений на зажимах и клеммах устройств, используемых в качестве датчиков и исполнительных органов. В качестве оперативного напряжения в системах энергетики могут приниматься следующие уровни: 220, 100…110, 48, 24 и 5 В постоянного тока.

Микросхемы контроллеров, как правило, способны работать с сигналами уровня 5 В, поэтому используются переходные устройства, называемые преобразователями уровней. Для обеспечения безопасности обслуживания и устранения взаимного гальванического влияния все устройства связи с объектом должны быть гальванически развязаны. Для дискретных сигналов гальваническую развязку обеспечивают промежуточные реле (электромеханические, электромагнитные – герконы) или оптопары (оптроны, "твердотельные" – полупроводниковые реле).

Переходы системы или объекта из одного состояния к другому сопровождаются изменением уровней сигналов, поступающих на входы контроллера. Различные сочетания состояний входов распознаются и обрабатываются контроллером в соответствии с требуемым алгоритмом, реализуемым с помощью программ обработки. Результаты обработки выводятся в виде выходных дискретных сигналов и поступают в цепи управления включением и отключением коммутационной аппаратуры (реле, контакторов), а также световой и звуковой сигнализации. Параллельно основному процессу информация может передаваться и в систему верхнего уровня.

Простыми примерами использования подобных контроллеров являются системы типа пожарной, охранной и предупредительной сигнализации.

Более сложными являются системы защитной автоматики в электроустановках и на энергообъектах. В таких системах выявляются отклонения значений контролируемых параметров за допустимые пределы. Пороговые значения, или "уставки", датчиков определяются заранее, исходя из допустимых условий функционирования объекта, и выставляются перед началом работы системы.

Контроллеры различаются как по количеству входных и выходных сигналов, так и по техническим характеристикам, связанным с уровнями напряжений и мощности входных и выходных сигналов, быстродействием, объемом памяти программ и данных, возможностью и удобством перепрограммирования, наличием или отсутствием индикаторов и пультов управления. В составе электроэнергетических систем контроллеры применяются, как правило, в сочетании с промежуточными преобразователями входных и выходных сигналов, в зависимости от схемы конкретного объекта и технических характеристик контроллера.