Министерство образования и науки, Молодежи и спорта Украины

Донецкий национальный технический университет

Кафедра ”ГЭА”

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: «Разработка блока управления САУ калориферной установки»

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Технические средства автоматизации в горной промышленности»

Выполнил

студент гр. АУП-10б ____________________Волочай М.С.

^{(подпись, дата)}

Руководитель

доцент кафедры ГЭА ____________________Неежмаков С.В.

^{(подпись, дата)}

Донецк-2012 г.

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект по дисциплине

"Технические средства автоматизации"

студенту Волочаю Михаилу Сергеевичу группы АУП-10(Б)

^{(фамилия, имя, отчество) (шифр)}

Наименование технологического объекта: калориферная установка.

Наименование базового устройства или аппаратуры автоматизации: АКУ-3.

Литературный источник: Батицкий В.А., Куроедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности

Тема проекта: Разработка блока управления системой автоматического управления калориферной установи

Дата выдачи задания 10 сентября 2012 г.

Срок сдачи проекта «_____» ________________ 20___г.

Задание принял к выполнению ____________________Волочай М.С.

Задание выдал и утвердил преподаватель _______________Неежмаков С.В.

Реферат

Пояснительная записка к курсовому проекту:

42 Стр., 17 рис., 1 табл., 9 прил., 7 источников.

Наименование технологического объекта: калориферная установка.

Наименование базового устройства или аппаратуры автоматизации: Аппаратура АКУ-3.1.1М.

Цель: Усовершенствование системы автоматического управления калориферной установки.

Доработать регулятор нагрузки и скорости подачи УРАН на работу с частотно-регулируемым приводом. Решение задачи автоматизации забойных машин позволит:

• Повысить производительность машин путем более полного использования мощности их электродвигателей;

• Повысить качество добытого угля и снизить его себестоимость;

• Улучшить динамические качества машин, их надежность и удлинить срок службы;

• Включить забойные машины в подсистему АСУ «Очистные забои»

Таким образом, вопрос регулирования важен в изучении. Необходимость создания более качественных регуляторов нагрузки добычного комбайна и усовершенствования существующих, предназначенных для работы с частотно-управляемым приводом подачи, это не только важно, но и необходимо.

К

Змн.

Лст.

№ Докум.

Подпись

Дата

Пояснительная записка к курсовому проекту.

Буква

Лист.

Листов

ДонНту, каф. «гєа»,

гр.АУП-10б

АЛОРИФЕРНАЯ УСТАНОВКА,ТЕМПЕРАТУРА,БЛОК УПРАЛЕНИЯ, РАСХОД ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Содержание

Введение…………………………………………………………….....6

1. Краткая характеристика объекта и описание аппаратуры, принятой для его автоматизации……………………………………………………….7

2. Анализ существующих решений при построении устройства….…13

3. Разработка структурной и функциональной электрических схем устройства………………………………………………………...….22

4. Разработка принципиальной электрической схемы устройства…........................................................................................29

5. Конструктивная разработка устройства………………………….………………………………...34

Вывод…………………………………………………………...…..….41

Приложение А……………………………..………………………...43

Приложение Б………………………………..………………………44

Приложение В…………………………….…………………………45

Приложение Г………………………………………………………46

Приложение Д………………………………………………………47

Приложение Е………………………………………………………48

Приложение Ж………………………………………………………49

Приложение З…………………………………………………….…50

Приложение И………………………………………………………51

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

САУ – система автоматического управления

ТЗ – техническое задание

КП – курсовой проект

ДС – датчик температуры

ДР – датчик расхода

ДУ – датчик уровня

РС – регулируемее сопротивление

ОП – оптопара

БП – блок питания

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАЛОРИФЕРНОЙ УСТАНОВКИ И ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ, ПРИНЯТОЙ ДЛЯ ЕЕ АВТОМАТИЗАЦИИ

Шахтная калориферная установка, предназначенная для подогревания подаваемого в шахту воздуха в зимний период, входит как составная часть в систему проветривания.

На шахтах применяются два типа калориферных установок:

1. Вентиляторные, оборудованные нагнетательным вентилятором, в которых в которых холодный воздух и атмосферы засасывается вентилятором и продувается через калориферы. Нагретый воздух через специальный канал поступает в ствол шахты, где смешивается с холодным, поступающим в ствол шахты через вентиляционный канал. Смешанный воздух 2-5°С под действием депрессии, создаваемой главным вентилятором, поступает в горные выработки.

2. Безвентиляторные, в которых холодный воздух поступает в калориферы за счет депрессии, создаваемой вентилятором главного проветривания.

В настоящее время на шахтах в основном используется безвентиляторные калориферные установки, в которых воздух через секции проходит под воздействием общешахтной депрессии.

Холодный наружный воздух засасывается в шахту через секции калорифера, установленные в один ряд для уменьшения сопротивления. Он нагревается и поступает по вентиляционному каналу к стволу. Здесь нагретый воздух смешивается с холодным, поступающим через заборную будку. Вследствие этого непосредственно в шахту поступает воздух с температурой, которая должна быть согласно требованию правил безопасности не ниже +2°С. Измерения этой температуры производится датчиком.

Рисунок 1 – Технологическая схема калориферной установки

Технологическая схема калориферной установки приведена на рисунке 1.

Контроль температуры воздуха в стволе осуществляется датчиком 8, контроль температуры отработанного теплоносителя датчиком 3. Измерение температуры производится следующим образом. Первичными приборами, воспринимающими температуру контролируемого объекта (воздуха, теплоносителя) являются малоинерционные датчики температуры (термометры сопротивления) типа ТСМ (ТСП). Диапазон измерения от 0˚С до 150˚С. Выходным параметром этих датчиков является сопротивление, которое линейно изменяется в соответствии с изменением значения температуры. При этом нулевому значению температуры соответствует сопротивление 100 Ом, значению 50˚С – 121,4 (119,7) Ом, значению 150˚С – 164,2 (158,2) Ом.

Регулирование температуры воздуха в стволе 7 осуществляется либо путем изменением положения шибера 6 (с помощью управляемого реверсивным электроприводом 5) соотношения между количеством нагретого и холодного воздуха, поступающего в ствол, либо путем изменения (с помощью управляемого реверсивным электроприводом 4) клапана 1 (задвижки) расхода первичного теплоносителя (воды, пара), проходящего через калорифер 2.

Регулирование температуры отработанного теплоносителя (воды) на выходе из калорифера осуществляется путем изменения расхода первичного теплоносителя, проходящего через калорифер.

При снижении температуры отработанного теплоносителя ниже установленного критического значения во избежание замораживания секций калорифера с помощью шибера 6 (ляды, жалюзей) полностью перекрывается доступ нагретого воздуха в ствол шахты (прекращается движение воздуха через калорифер) независимо от температуры в стволе. При отсутствии устройства, перекрывающего прохождение воздуха через калорифер, необходимо иметь устройство, открывающее свободный доступ в ствол холодного воздуха из атмосферы, минуя калорифер. Блокировка снимается после повышения температуры теплоносителя на выходе из калорифера до установленного рабочего значения.

Автоматизация калориферной установки осуществляется аппаратурой АКУ-63, предназначенная как для безвентиляторной технологической схемы, когда регулирование теплопроизводительности осуществляется лядами, так и для технологических схем с нагнетательными вентиляторами, в которых регулирование теплопроизводительности выполняется направляющими аппаратами.

Аппаратура АКУ-63 позволяет осуществлять два вида управления калориферными установками: автоматическое и местное с выдачей сигнала о температуре в стволе на центральный диспетчерский пульт и в помещение калориферной установки.

В комплект аппаратуры АКУ-63 входят: станция управления и регулирования СУР-63, пульт диспетчера, сигнальное табло, термодатчики ТДТ-63 и ТДЛ-1.

Аппаратура АКУ-3 предназначена для автоматизации шахтных безвентиляторных калориферных установок, в которых в качестве теплоносителя используется пар или перегретая вода, а регулирование теплопроизводительности калорифера осуществляется поворотными ладьями. Аппаратура АКУ-3 обеспечивает два вида управления калориферной установкой: автоматическое и ручное.

В автоматическом режиме работы аппаратура АКУ-3 осуществляет поддерживание на заданном уровне температуры воздуха в стволе и температуры отработанного теплоносителя на выходе из калорифера.

Аппаратура АКУ-3 обеспечивает автоматический контроль всех существенных технологических параметров калориферной установки

Аппаратура применяется в шахтных зданиях (помещение калориферной установки), где допущено применение электрооборудования в исполнении общего назначения по ГОСТ 18311-80, кроме термодатчика ствола ТДС – 1, предназначенного для применения в стволах в соответствии с «Правилами безопасности в угольных и сланцевых шахтах».

Привести требования к разрабатываемому устройству.

Функции и требования, которыми должно обладать разрабатываемое мною устройство

1) выдача контактного сигнала управления исполнительным органом для стабилизации температуры воздуха в стволе шахты, для стабилизации температуры теплоносителя на выходе калорифера, для прекращения движения холодного воздуха через калорифер;

2) ручное управление органами расхода воздуха и теплоносителя, а также приводами противопожарной ляды и клапаном обогрева копра;

3) формирование и воспроизведение в помещении калориферной и в помещении диспетчера сигнализации, характеризующей состояние температуры воздуха в стволе шахты:

- о текущем значении температуры и о крайних положениях регулирующего органа;

- аварийной при снижении температуры воздуха ниже установленного значения;

4) формирование и воспроизведение в помещении калориферной и в помещении диспетчера сигнализации, характеризующей состояние температуры отработанного теплоносителя на выходе калорифера:

- о текущем значении температуры и о крайних положениях регулирующего органа;

- аварийной при снижении температуры теплоносителя ниже установленного уровня;

5) формирование и воспроизведение в помещении калориферной сигнализации, характеризующей состояние секций калорифера:

- о текущем значении температуры опрашиваемой секции и ее номер;

- аварийной при снижении температуры какой-либо секции ниже установленного значения;

6) формирование и воспроизведение в помещении диспетчера и в помещении котельной аварийной сигнализации при снижении температуры какой-либо секции ниже установленного уровня;

7) формирование и воспроизведение в помещении калориферной и в помещении котельной аварийной сигнализации при снижении давления первичного теплоносителя ниже установленного значения.

2. РАССМОТРЕНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КАЛОРИФЕРНОЙ УСТАНОВКОЙ

Стабилизация температуры в САУ калориферной установки может быть достигнуто по трем вариантам:

1. Регулирование количества теплоносителя, подаваемого в секцию. В этом случае регулирующее воздействие подается на исполнительный механизм (ИМ-1), который управляет вентилем на трубопроводе теплоносителя.

2. Ступенчатое регулирование количество теплоносителя и плавное изменение воздуха, проходящего через калорифер(комбинированный вариант).

3. Изменение количества воздуха, проходящего через калорифер, путем регулирования значения количества воздуха поступающего через заборную будку (холодного воздуха). В этом случае регулирующее воздействие подается на исполнительный механизм (ИМ-2), который управляет положением ляды.

Рассмотрим аппаратуру автоматизации калориферных установок АКУ-63.

Для безвентиляторных установок аппаратура АКУ-63 обеспечивает:

• автоматическую стабилизацию температуры воздуха в стволе в заданных пределах путем регулирования теплопроизводительности изменением расхода воздуха через калориферы и дросселированием пара с помощью импульсного регулирующего устройства;

• автоматическое прекращение подачи подачи холодного воздуха через водяные калориферы при снижении температуры конденсата ниже заданной; автоматическую подачу конденсата (миную водяные калориферы) при снижении температуры конденсата на выходе из водяных калориферов ниже допустимой.

Для калориферных установок с нагнетательными вентиляторами АКУ-63 обеспечивает:

– автомат. стабилизацию температуры воздуха в стволе шахты в заданных пределах путем регулирования производительности одного из вентиляторов;

– автомат. управление двумя вентиляторными агрегатами;

– отключение приводных электродвигателей вентиляторов при перегреве подшипников вентиляторов;

– автомат. закрытие направляющего аппарата при остановленном вентиляторе;

– невозможность пуска вентилятора при перекрытии вентиляционного канала лядами.

Кроме того, аппаратура АКУ-63 обеспечивает: световую и звуковую сигнализацию о нормальной работе или об аварийном состоянии установки у диспетчера; о недостаточном давлении пара в помещении котельной, а также о температуре воздуха в стволе – у диспетчера и в помещении калориферной установки.

Аппаратура АКУ-63 содержит две автономные системы: систему регулирования температуры воздуха в стволе и систему регулирования уровня конденсата в конденсатосборнике.

Регулятор температуры воздуха в стволе основан на принципе использования широтно-импульсной модуляции сигнала об отклонении регулируемой величины от заданного значения. Регулирование температуры производится изменением соотношения горячего и холодного воздуха в смесительной камере.

Рассмотрим аппаратуру автоматизации калориферных установок АКУ-3.

Аппаратура АКУ-3 предназначена для автоматизации шахтных безвентиляторных калориферных установок, в которых в качестве теплоносителя используется пар или перегретая вода, а регулирование теплопроизводительности калорифера осуществляется поворотными ладьями. Аппаратура АКУ-3 обеспечивает два вида управления калориферной установкой: автоматическое и ручное.

В автоматическом режиме работы аппаратура АКУ-3 осуществляет поддерживание на заданном уровне температуры воздуха в стволе и температуры отработанного теплоносителя на выходе из калорифера.

Аппаратура АКУ-3 обеспечивает автоматический контроль всех существенных технологических параметров калориферной установки

Аппаратура АКУ – 3.1 М предназначена для автоматизации шахтных калориферных установок, имеющих в качестве первичного теплоносителя перегретую воду или пар.

Аппаратура АКУ – 3.1М имеет две модификации:

АКУ – 3.1.1М – для районов с холодным климатом, для шахт, имеющих мощные калориферные установки (северные и восточные угольные бассейны);

АКУ – 3.2.1М – для районов с умеренным климатом, для маломощных калориферных установок (южные угольные бассейны).

Аппаратура применяется в шахтных зданиях (помещение калориферной установки), где допущено применение электрооборудования в исполнении общего назначения по ГОСТ 18311-80, кроме термодатчика ствола ТДС – 1, предназначенного для применения в стволах в соответствии с «Правилами безопасности в угольных и сланцевых шахтах».

Аппаратура АКУ – 3.1.1 М выполняет следующие функции:

1) выдача контактного сигнала управления исполнительным органом для стабилизации температуры воздуха в стволе шахты, для стабилизации температуры теплоносителя на выходе калорифера, для прекращения движения холодного воздуха через калорифер;

2) ручное управление органами расхода воздуха и теплоносителя, а также приводами противопожарной ляды и клапаном обогрева копра;

3) формирование и воспроизведение в помещении калориферной и в помещении диспетчера сигнализации, характеризующей состояние температуры воздуха в стволе шахты:

- о текущем значении температуры и о крайних положениях регулирующего органа;

- аварийной при снижении температуры воздуха ниже установленного значения;

4) формирование и воспроизведение в помещении калориферной и в помещении диспетчера сигнализации, характеризующей состояние температуры отработанного теплоносителя на выходе калорифера:

- о текущем значении температуры и о крайних положениях регулирующего органа;

- аварийной при снижении температуры теплоносителя ниже установленного уровня;

5) формирование и воспроизведение в помещении калориферной сигнализации, характеризующей состояние секций калорифера:

- о текущем значении температуры опрашиваемой секции и ее номер;

- аварийной при снижении температуры какой-либо секции ниже установленного значения;

6) формирование и воспроизведение в помещении диспетчера и в помещении котельной аварийной сигнализации при снижении температуры какой-либо секции ниже установленного уровня;

7) формирование и воспроизведение в помещении калориферной и в помещении котельной аварийной сигнализации при снижении давления первичного теплоносителя ниже установленного значения.

В состав аппаратуры АКУ – 3.1.1 М входит: станция управления и регулирования СУРК-4 (А1); блок индикации БИК-4(А6); два табло ТК-4(А4, А5); сорок два датчика температуры (В1…В42); электроконтактный манометр (В43).

Концевые выключатели В44…В47, используемые для сигнализации о крайних положениях регулирующих органов и исполнительные механизмы заводом не поставляются.

В состав станции СУРК-4 входят следующие блоки: преобразователь датчика температуры воздуха (1); преобразователь температуры отработанного теплоносителя (2); преобразователь датчика температуры секций (3); блок контроля воздуха (4); блок контроля теплоносителя (5); блок контроля секций (6);блок регулирования воздуха (7); блок регулирования теплоносителя (8); блок коммутатора (9); блок сигнализации (10); блок общий (11).

Преобразователь датчика температуры воздуха предназначен для преобразования сигнала от датчика температуры (термометра сопротивления ТСМ или ТСП) в универсальный токовый сигнал 0…5мА. Преобразование выполняется с помощью серийно выпускаемого промышленностью измерительного преобразователя Ш703.

Блок контроля предназначен для:

1. последовательного преобразования токового сигнала, пропорционального измеряемой температуре, в число-импульсный код, число импульсов которого в каждом цикле измерения равно абсолютному значению температуры;

2. выдачи аварийного сигнала при снижении измеряемой температуры ниже заданного минимально допустимого (критического) значения.

В состав блока входят следующие устройства:

1) аналого-цифровой преобразователь;

2) преобразователь семиэлементного кода в двоично-десятичный;

3) преобразователь двоично-десятичного кода в число-импульсный код;

4) устройство аварийной сигнализации.

Блок регулирования предназначен для автоматического поддержания на заданном уровне температуры контролируемого объекта. В состав станции СУРК – 4 входит два блока регулирования: для поддержания температуры воздуха в стволе шахты и температуры отработанного первичного теплоносителя на выходе из калорифера.

Процесс регулирования сводится к определению разности между заданным и фактическим значением температуры и формированию управляющего воздействия, длительность которого пропорциональна этой разности. Коэффициент пропорциональности выбирается индивидуально для каждого объекта в зависимости от быстроходности регулирующего органа.

Процесс регулирования производится следующим образом. Измеренное блоком контроля фактическое значение температуры сравнивается с заданным. Если определенная при этом разность температур больше зоны нечувствительности регулятор формирует первый пропорциональный сигнал (импульс) регулирования с коэффициентом пропорциональности d1. Через время Т, определяющего длительность переходного процесса на объекте регулирования и называемое периодом регулирования, производится очередное определение разности температур. Если разность опять больше зоны нечувствительности, регулятор формирует второй пропорциональный управляющий импульс с коэффициентом пропорциональности d2. До тех пор, пока разность температур не станет меньше зоны нечувствительности, регулятор через каждый отрезок времени Т будет выдавать управляющие сигналы с коэффициентом пропорциональности d2.

Блок сигнализации предназначен для:

1. приема, запоминания (хранения) и преобразования для воспроизведения на цифровом индикаторе блока БИК – 4 информации о текущем значении температуры воздуха в стволе шахты, температуры отработанного теплоносителя на выходе из калорифера, номера и температуры опрашиваемой в данный момент секции;

2. организации совместно с блоком-коммутатором поочередного опроса датчиков температуры отдельных секций калорифера;

3. передачи на табло ТК – 4 (диспетчеру и в котельную) информации о текущем значении температуры воздуха в стволе и отработанного теплоносителя и гальванической развязки внутренних цепей станции СУРК-4 от линей связи с диспетчерским пунктом и котельной;

4. формирование звукового аварийного сигнала для воспроизведения его в блоке БИК-4.

Блок содержит следующие устройства:

1. устройство измерения;

2. устройство динамической индикации;

3. устройство формирования сигналов опроса датчиков температуры секции;

4. устройство гальванической развязки;

5. устройство аварийной звуковой сигнализации.

Блок коммутатора предназначен для поочередного подключения датчиков температуры двадцати секций к к преобразователю Ш703.

Блок индикации БИК-4 предназначен для:

1. воспроизведения световой и звуковой аварийной сигнализации при снижении ниже допустимых критических значений температуры воздуха в столе шахты, температуры теплоносителя на выходе калорифера, давления теплоносителя на входе калорифера, температуры какой либо из контролируемых секций;

2. воспроизведение световой сигнализации о крайних положениях регулирующих органов;

3. воспроизведение цифровой информации о номере опрашиваемой в данный момент секции и о значении температуры воздуха, теплоносителя и секций;

4. выбора вида воспроизводимой цифровой информации.

Блок БИК-4 содержит девять светодиодных индикаторов; три семисегментных цифровых индикатора; переключатели выбора вида воспроизводимой цифровой информации, малогабаритный звуковой сигнализатор и ключ квитации звукового сигнала.

Табло калорифера ТК-4 предназначено для воспроизведения в помещении диспетчерской и котельной информации о текущем значении температуры воздуха в стволе шахты и отработанного первичного теплоносителя на выходе из калорифера; световой и звуковой аварийной сигнализации о снижении температуры воздуха, теплоносителя или секций ниже минимально допустимого критического значения, о снижении давления теплоносителя на входе калорифера.

Табло содержит следующие устройства:

1. элементы гальванической развязки внутренних цепей табло от линии связи со станцией СУРК-4;

2. устройство регистрации импульсов, характеризующих значение температуры воздуха и теплоносителя;

3. устройство формирования аварийного звукового сигнала;

4. светодиодные индикаторы воспроизведения аварийных сигналов;

5. блок питания;

Искробезопасность цепей термодатчика ствола шахты обеспечивается применением преобразователя измерительного типа Ш703И, имеющего вид взрывозащиты «Искробезопасная электрическая цепь» по ГОСТ 12.2.020-76. Искробезопасность преобразователя измерительного обеспечивается блоком искрозащиты, представляющего собой отдельный залитый модуль, в котором резисторы осуществляют ограничение тока до безопасного уровня, а стабилитроны, резисторы и диоды ограничивают напряжение до безопасного уровня при аварийном режиме.

Рисунок 2 – Структурная схема аппаратуры АКУ – 3.1.1 М

Рисунок 3 – Структурная схема блока управления вентилями отвода конденсата

Рисунок 4– Функциональная схема блока управления вентилями отвода конденсата

На рисунке 3 изображена структурная схема блока управления вентилями отвода конденсата в системе контроля в конденсатосборнике калориферной установки. Уровень конденсата в конденсатосборнике 8 измеряется емкостным уровнемером, а температуры конденсата на выходе из водяных калориферов термодатчиком типа ТДС-1. С выхода этих датчиков аналоговые сигналы h и t⁰C соответственно поступают в блок управления (БУ), на элементы сравнения ЭС1 и ЭС2 (компораторы) соответственно. На элементе сравнения ЭС1 происходит сравнение сигнала пропорционального измеряемому уровню с сигналом задания h₃, который поступает от задающего устройства ЗУ₁. На элементе ЭС₁ происходит сравнение сигнала пропорционального измеряемой температуре с заданным t₃ ⁰C, которое поступает на ЭС₂ от задатчика ЗУ₂. Если текущие значение и сигналы задания не совпадают, то на выходах ЭС₁ и ЭС₂ формируется управляющие сигналы, которые поступают на блок согласования БС₁ и БС₂ (исключающие «ИЛИ» соответственно)

На блок согласования БС₃ (сочетание диодно-транзисторной оптопары и исключающего «ИЛИ») подаются сигналы от конечных выключателей КВО₁ КВЗ₁ КВО₁ КВЗ₁ и от блока контактов БКВ и БКО. С выхода БС₁ БС₂ и БС₃ сигналы поступают на блок принятия решений БПР (в качестве БПР используется блок логики), где происходит формирование команд управления. С выхода БПР сигнал последовательно поступает на усилитель У (ждущий мультивибратор) и блок гальванической развязки БГР (транзисторный ключ). После БГР управляющий сигнал поступает на соответствующие пускатели приводов задвижек ЗД₁, ЗД₂ и конденсатного насоса 9.

В калориферной установке есть два параметра требующих измерения – это температура и давление. Эти параметры можно измерить датчиками температуры и давления соответственно.

3. СТРУКТУРНАЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА САУ КАЛОРИФЕРНОЙ УСТАНОВКИ

3.1 Разработка структурной схемы системы автоматического управления калориферной установки.

На основании структурной схемы может быть разработана функциональная схема проектируемого устройства.

Рисунок 3.1 – Структурная схема системы автоматического управления калориферной установки

Описание структурной схемы:

ДТ – датчик температуры

ДУ – датчик уровня

ДРв – датчик воздуха

ДРт – датчик расхода теплоносителя

МК – микроконтроллер

БП – блок питания

ОП – оптопара

Р – реле

Суть работы заключается в следующем:

С каждого датчика сигнал поступает на регулируемые сопротивления, они служат для изменения диапазона сигнала, который подходит микроконтроллеру. С сопротивлений сигнал поступает на микроконтроллер, который сравнивает полученные сигналы с заданными значениями, которые подходят для нормального функционирования калориферной установки. С микроконтроллера сигал поступает на оптопары, которые служат для гальванической развязки. Дальше сигнал поступает на реле, которые либо посылают сигнал либо нет на исполнительные механизмы (ляды, задвижки и т.д.). Микроконтроллер запитан электричеством от блока питания.

3.2 Разработка функциональной схемы системы автоматического управления калориферной установки.

Рисунок 3.2 – Функциональная схема автоматического управления калориферной установки

t – датчик температуры

h – датчик уорвня

Qv – датчик расхода воздуха

Qt – датчик расхода теплоносителя

G - блок питания

DD1 – микроконтрроллер

DA1…4 – оптопары

K1…4 - реле

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕКОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

4.1 Принципиальная схема Блока Управления

Разработка принципиальной технической схемы выполняется на схемотехническом этапе проектирования, она синтезируется со структурной схемы проектирования. Ведется расчет блоков и элементов, а потом с полной номенклатурой изображается принципиальная схема (4.1)

Рисунок 4.1 – Принципиальная электрическая схема

4.2 Выбор микроконтроллера

Выбираем микроконтроллер ATtiny26L ,потому что он подходит по количеству входов и имеет высокую производительность

Рисунок 4.2 - микроконтроллер ATtiny26L

Характеристики:

-Высокая производительность при малом потреблении

-RISC архитектура

-118- команд, большинство исполняемых за один машинный такт

-328 рабочих регистра общего назначения

-Полностью статический режим

-16 MIPS производительность при 16 МГц

-Универсальный последовательный интерфейс с детектором старта

-Встроенный аналоговый компаратор

-Внешние прерывания

-11 прерываний по изменению потенциала вывода

-Программируемый Watchdog с переключаемымим генераторами

-Специальные функции контроллера

-Режим экономии энергии, режим подавления шума, режим Выкл.

-Сброс при включении и понижению напряжения питания

-Внешние и внутренние источники прерывания

-Внутрисистеммное программирование через SPI порт

-Внутренний калиброванный RC генератор

-20- выводной корпус PDIP или SOIC

-16 программируемых входа-выхода

-Рабочее напряжение питания:

2.7 В до 5.5 В ATtiny26L

4.5 В до 5.5 В ATtiny26

-Рабочая тактовая частота:

0- 8 МГц ATtiny26L

0-16 МГЦ ATtiny26

4.3 Расчёт блока питания

Рисунок 4.3 –Блок питания

С=

С₃; t=0,01; U=

С₃

Принимаем по ГОСТу С₃

С₃-ЭТН-40мкФ;

Диодный мост принимаем DB157.

Если мощность не превышает 5 Вт ,а ток не более 1А,то для данного устройства подходит интегральный стабилизатор L7805 и L7905.

Электрические параметры:

Номинальное постоянное выходное напряжение, Uout . . . . . . . . . . ….5,0 В

Выходное сопротивление на частоте f=1 кГц, Rout . . . . . . . . . . . . . . 17 мОм

Предельно допустимое входное напряжение, U_in . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 В

Предельно допустимый ток нагрузки, I_in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 А

Диапазон рабочих температур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . от -40 до 150 °С

4.4 Расчет сопротивления.

Датчики имеют выходной сигнал от 4 до 20 мА, а микроконтроллер запитан от блока питания 5В. Следовательно, после датчиков следует последовательно включить регулируемые сопротивления.

Верхний предел: R₁=U/I₁=5/0,004=1250 (Ом)

Нижний предел: R₂=U/I₂=5/0,02=250 (Ом)

Нужно поставить регулируемое сопротивление в пределах от 250 Ом до 1250 Ом.

5 КОНСТРУКТИВНАЯ РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА

5.1Технологические методы изготовления печатных плат

Печатные платы в настоящее время получили самое широкое распространение. Их применение обеспечивает идентичность электрических параметров – от образца к образцу, замену значительной части ручных монтажных операций машинными, допускающими использование полуавтоматических и автоматических установок, поточных линий и автоматизированных средств контроля, что делает их экономически и технически целесообразными. С точки зрения конструктивных преимуществ печатных плат позволяет улучшить такие параметры, как плотность монтажа и масса.

В настоящее время выпускается несколько типов печатных плат, имеющих различные конструктивные особенности: односторонние (ОПП), двухсторонние (ДПП) и многослойные печатные платы (МПП), гибкие печатные платы (ГПП), гибко – жесткие печатные платы (ГЖПП), гибкие печатные кабели (ГПК) и шлейфы (ГПШ). Они имеют достаточно сходные прогрессивные технологические процессы изготовления, за исключением печатных плат для узлов СВЧ.

В данной курсовой работе разрабатывается двухстороння печатная плата.

Технологические методы изготовления печатных плат, а их разработано более 20, базируются на двух направлениях получения проводящего материала платы: субтрактивный, вычитание или избирательное удаление проводящего материала на фольгированном диэлектрике; аддитивный, прибавление или избирательное нанесение проводящего материала на чистый диэлектрик.

В соответствии сэтим для изготовленияОПП и ДПП наиболее широкое распространение получили три метода изготовления печатных плат: химический, электрохимический, или полуаддитивный, комбинированный позитивный.

Химический негативный метод широко применяется не только в производстве ОПП, но и для изготовления слоев МПП, а также ГПК, ГПШ и т.д. Основным преимуществом химического метода является простота и малая длительность технологического цикла, что облегчает автоматизацию, а недостатком – отсутствие металлизированных соединений между сторонами платы.

Электрохимический метод дороже, требует большего количества специализированного технического оборудования, менее надежен, но необходим для ДПП с повышенной плотностью монтажа.

Комбинированный позитивный метод основан на химическом и электрохимическом методах и является основным при изготовлении двусторонних печатных плат .

В данной курсовой работе разрабатывается, двухстороння печатная плата, комбинированным методом.

Чертежи печатных плат выполняются на бумаге, имеющей координатную сетку, нанесенную с определенным шагом. Наличие сетки позволяет не ставить на чертеже размеры на все элементы печатного проводника. По сетке можно воспроизвести рисунок печатной платы при изготовлении фотооригиналов, с которых изготовляются шаблоны (например, фотонегативы) для наненсения рисунка платы на заготовку. Координатную сетку наносят на чертеж с шагом 2,5; 1,25; 0,625 мм.

Центры монтажн6ых, переходных и крепежных отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки, причем центры отверстий под неформируемые выводы многовыводных навесных элементов, расстояния между которыми не кратны шагу координатной сетки, располагают таким образом, чтобы в узле сетки находился центр одного из отверстий, а центры отверстий под остальные выводы располагались согласно конструкции элемента. Максимальные отклонения расстояний между центрами отверстий не должны быть более +-0,2 мм для плат 1 – го класса, +-0,1 мм для плат 2 – го и 3 – го классов.

Диаметр металлизированных и неметаллизированных отверстий в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечивает возможность свободной установки электрорадиоэлемента и протекание припоя на всю глубину металлизированного отверстия. Диаметры монтажных и переходных металлизированных и неметаллизированных отверстий выбирают в соответствии табл.5.1.

Монтажные отверстия для плоских выводов следует выбирать, как и для круглых, образуемых диаметром окружности, описанной вокруг сечения вывода.

Таблица 5.1 – Диаметры монтажных отверстий

Номинальный диаметр		Максимальный диаметр вывода навесного элемента
Монтажного неметаллизированного отверстия	Монтажного и переходного металлизированного отверстия с учетом металлизации
0,5 0,7 0,9 1,1 1,6 2,1	0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0	--- До 0,4 Св. 0,4 до 0,6 включ. 0,6 0,8 0,8 1,3 1,3 1,7

При подготовке печатных плат к электрическому монтажу необходимо обеспечить хорошую способность к пайке их электромонтажных элементов. Различные металлопокрытия печатных плат имеют неодинаковую паяемость, которая с течением времени ухудшается.

Для обеспечения паяемости покрытия печатных плат часто применяют горячее лужение. Лужение электромонтажных элементов должно производиться теми же пропоями, что и при последующей пайке. Элекромонтажные элементы чувствительных к тепловому воздействию плат (многослойных, гибких) допускается лудить припоями с пониженной температурой плавления. Лужение печатных плат производится разлчиными методами при условии, что они обеспечивают получение на обслуживание электромонтажных элементах непрерывной поверхности припоя без трещин, пор, крупнозернистости, посторонних и крупных игольчатых включений, наплывов высотой более 0,3 мм. После лужения платы не должны иметь разрывов и отслоений печатных проводников. Слой припоя на облуженных элементах печатных плат должен иметь глянцевую или светло – матовую поверхность.

Разработка чертежа печатной платы.

Процесс разработки чертежа печатной платы складывается из следующих операций:

• компоновка печатной платы, в процессе которой находится оптимальное размещение новейших элементов на плате. Компоновка выполняется с помощью шаблонов радиоэлементов, изготовленных из бумаги или другого материала. Эти шаблоны размещаются на листе с координатной сеткой и располагают т.о. при котором длина соединяющих их проводников была бы минимальна.

• Разводка печатных плат проводников. Целью является проведение проводников, соединяющих контактные площадки так, что бы они имели минимальную длину, и минимальное число переходов на другие слои для устранения пересечений.

• Оформление чертежа с соблюдением требований стандартов.

В данной курсовой работе разводка печатной платы осуществляется с использованием программы Print-layout 5.1.Print-layout-это простая программа для создания двухсторонних и многослойных печатных плат. Программное обеспечение включает в себя многие элементы, необходимые в процессе разработки полного поекта. Print-layout позволяет наносить на плату контакты,SMD-контакты, проводники, полигоны, текст и так далее.Контактные площадки могут быть выбраны из широкого набора.

Рисунки печатных плат