Файл: Группа Дипломная работа Автоматизированная система управления процессом конвертирования в цветной металлургии Пояснительная записка Зав кафедрой.doc

Особенно эффективно применение CAN-технологии там, где объекты управления имеют значительную территориальную протяженность. Конвертерное производство является одним из таких объектов.

Основные характеристики CAN интерфейса приведены в приложении Б.

Среда передачи данных в CAN-спецификации не определена. Понятно, что помехоустойчивость обмена по шине повышается при использовании терминального сопротивления R, выбираемого в зависимости от типа шины. Наилучшая помехозащищенность достигается при использовании экранированной витой пары с волновым сопротивлением 120 Ом.

Таким образом, для построения локальных комплексов технически и экономически оправданно использовать локальную сеть CAN.

Локальный комплекс конвертера состоит из терминального контроллера (TK) и периферийных контроллеров (ПерК), размещаемых в непосредственной близости от отдельно взятого конвертера и обеспечивающих сбор информации, прием команд и выдачу информации в ТК. Весь обмен информацией между ПерК и ТК обеспечивается локальной сетью в последовательном формате. ТК одновременно является ведущим узлом в CAN сети и мостом, обеспечивающим связь с диспетчерским пунктом (ДП).

Количество и места размещения ПерК зависят от состава оборудования конвертерного узла, его размещения, а также от доступного количества входов/выходов в ПерК. В свою очередь, количество входов/выходов определяется выбором элементной базы ПК. Выбор элементной базы зависит и от характера объектов контроля и управления, сложности алгоритмов управления ими.

Для связи ПерК между собой и с ТК используется витая пара.

Функциональная схема локального комплекса конвертера представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Функциональная схема локального комплекса

Периферийный контроллер, является важнейшим узлом ЛК конвертера. Вопрос о количестве ПерК на конвертерном узле и местах их размещения должен решаться индивидуально в каждом конкретном случае с учетом типа и состава контролируемого оборудования конвертера и при этом максимально упростить схему. Важным требованием к ПерК также является их унификация. Это означает, что необходимо обеспечить простую проектную привязку универсального ПерК к конкретному оборудованию конкретного конвертера. Функциональная схема соединения датчиков с периферийными контроллерами показана на рисунке 3.2.

---

Рисунок 3.2 – Функциональная схема соединения датчиков с периферийными контроллерами

Учитывая функции, возлагаемые на ПерК, можно сделать вывод о том, что наличие микроконтроллера в его составе не является обязательным. Отсутствие МК позволяет упростить схему ПерК и значительно снизить затраты на разработку программного обеспечения.

Изучение доступных электронных компонентов показало, что на данный момент большого выбора автономных CAN контроллеров не наблюдается. Единственной разработкой является семейство изделий фирмы Microchip – I/O Expander (расширитель ввода/вывода) MCP250XX. Семейство состоит из четырех типов микросхем [20-22].

Микросхема имеет 8 индивидуально программируемых входов / выходов, причем микросхема MCP25055 содержит 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь. При этом до четырех выводов микросхемы могут быть запрограммированы как входы аналого-цифрового преобразователя или как аналоговые компараторы с гистерезисом, поэтому допустимо использовать датчики или вторичные преобразователи с аналоговым выходным сигналом.

Программирование микросхемы может производиться непосредственно в законченном устройстве. Параметры конфигурации сохраняются в энергонезависимой памяти и загружаются автоматически при включении питания.

Принципиальная схема ПерК представлена в приложении В.

Поскольку, необходимо обеспечить максимально возможную унификацию ПерК, особое внимание было уделено проектированию входных и выходных цепей ПерК. Все входы/выходы MCP25055, за исключением GP7 конфигурируются независимо друг от друга как входы или выходы в любой комбинации. Вывод GP7 может использоваться только как вход. Соответственно, для того, чтобы использовать эту возможность, входные цепи также должны конфигурироваться под необходимую конфигурацию выводов MCP25055.

Входные и выходные цепи для всех семи выводов MCP25055 выполнены одинаково и показаны на втором листе приложения Д в виде иерархических блоков IO_1-IO_7. Принципиальная схема иерархического блока показана там же. Следует отметить, что эта принципиальная схема иерархического блока предназначена только для разводки печатной платы ПерК. Конкретная конфигурация входной цепи задается при привязке ПерК к оборудованию конвертера (все компоненты, показанные на принципиальной схеме, одновременно никогда устанавливаться не будут).

---

Таким образом, предлагаемое схемное решение входных/выходных цепей ПерК позволяет иметь только один тип ПерК, настраиваемый на конкретное оборудование непосредственно перед монтажом системы на объекте.

Это позволит значительно снизить затраты как при разработке ПерК, так и при их производстве. Номенклатура применяемых компонентов при этом минимальна.

Вторым важным вопросом, возникшим при проектировании ПерК, явилась организация его питания. Выбрана схема ПерК с централизованным питанием от ТК.

В этом случае для организации CAN-сети применен стандартный кабель типа “витая пара”, используемый при построении локальных сетей ПерК. Такой кабель содержит 4 пары проводов. Одна пара используется для передачи сигналов, а оставшиеся 3 пары соединяются параллельно и используются для подачи постоянного напряжения 12 В от ТК. Суммарного сечения 3 пар проводов достаточно для обеспечения питания нескольких десятков ПерК, так как ток, потребляемый одним из них, не превышает нескольких десятков миллиампер.

При централизованном питании для стабилизации напряжения и развязки отдельных ПерК достаточно дешевого непрерывного стабилизатора напряжения типа КР142ЕН5А.

Поскольку в периферийных контроллерах применены расширители ввода/вывода MCP25055, необходимость в разработке программного обеспечения как такового отсутствует. Вместо программирования необходимо только начальное конфигурирование MCP25055, которое производится перед их монтажом. Возможно также внутрисистемное конфигурирование, которое производится в уже смонтированном ПерК.

Терминальный контроллер является мостом между локальной CAN сетью и радиосетью передачи данных. В CAN сети ТК ответственен за инициализацию ПерК и является ведущим узлом, т.е. выполняет задачу управления CAN сетью. Связь терминальных контроллеров с мастер-контоллером CAN сети осуществляется по радиоканалу, поэтому с другой стороны на ТК возлагается задача поддержки сетевого протокола AX25 и обеспечения обмена данными с ДП, а также ретрансляции пакетов при отсутствии или неустойчивости связи между ДП и некоторыми конвертерными узлами. Поэтому ТК должен иметь достаточный объем памяти для промежуточного хранения входящих/исходящих пакетов данных.

---

Выбор микроконтроллера (МК) является непростой задачей. Во-первых, имеется несколько десятков архитектурных семейств микроконтроллеров, выпускаемых различными фирмами. Они различаются разрядностью, быстродействием, набором периферийных устройств. В РФ наиболее широкое распространение нашли МК MCS51 фирмы Intel и PIC фирмы Microchip.

Прежде всего, следует выбрать разрядность МК. От МК не требуется выполнения сложных вычислений, поэтому разумным выбором являются более дешевые 8-ми разрядные микроконтроллеры.

Сравнивая семейства МК MCS51 и PIC, необходимо отметить, что МК PIC, имея достаточно низкие цены, наиболее подходят для создания простых устройств автоматики. Их ресурсы недостаточны для применения в ТК.

Таким образом, для ТК наиболее приемлемы MK семейства MCS51. Эти МК выпускаются практически всеми ведущими производителями электронных компонентов. Для них имеется широкий выбор инструментальных средств программирования и отладки программ.

Возможны два варианта построения ТК:

• 
  микроконтроллер со встроенным CAN контроллером.
  
• 
  микроконтроллер + автономный CAN контроллер.
  

Выбор того или иного варианта определяется объемом и скоростью требуемой скоростью передачи данных. МК со встроенным CAN контроллером способен обеспечить наибольшую производительность, поскольку обеспечивается быстрый доступ к регистрам CAN контроллера. Комбинация МК + CAN контроллер имеет меньшую пропускную способность.

Автономные CAN контроллеры выпускаются в различных исполнениях, главным отличительным признаком является их интерфейс с МК. CAN контроллеры могут иметь либо параллельный интерфейс, либо последовательный. В качестве последовательного интерфейса наибольшее распространение получил интерфейс SPI. Параллельный интерфейс обеспечивает более высокую пропускную способность. Преимуществом последовательного интерфейса является то, что сокращается площадь печатной платы и размеры устройства. Изучение номенклатуры доступных в РФ автономных CAN контроллеров показало, что оптимальным для данного проекта будет выбор CAN контроллера фирмы Microchip MCP2510. Это целесообразно и с точки зрения сокращения числа поставщиков микросхем, поскольку в ПерК применена микросхема этой же фирмы MCP 2550.

Для ТК был выбран МК фирмы ATMEL AT89S8252, поскольку его характеристики наиболее полно соответствуют поставленным требованиям. Этот МК помимо традиционного набора периферийных устройств имеет резидентную FLASH память данных объемом 2 кБ. Эта память необходима для хранения данных о конфигурации, которая может отличаться для каждого конвертерного узла. МК также имеет SPI интерфейс необходимый для подключения CAN контроллера MCP2510. Кроме этого, наличие SPI интерфейса, позволит обеспечить внутрисистемное программирование МК.

---

Важнейшим узлом ТК является радиомодем. От его правильного выбора зависит пропускная способность радиосети, ее надежность и возможности расширения. Естественно, что в настоящее время речь должна идти только об однокристальных радиомодемах. Можно сформулировать следующие требования к радиомодему:

• 
  минимальная нагрузка на МК;
  
• 
  конфиденциальность передаваемых данных;
  
• 
  возможно более высокая скорость передачи данных в пределах заданной полосы частот радиоканала;
  
• 
  высокая помехоустойчивость.
  

На основании комплексного анализа сформулированных требований и ситуации на российском рынке выбор был остановлен на модели РМ FX919.

Принципиальная схема ТК представлена в приложении Г.

MK AT89S8252 имеет 256 байт резидентной памяти данных, что совершенно недостаточно для поддержки очередей входящих и исходящих сообщений радиосети. Кроме того, разработку ПО ТК планируется выполнять на языке высокого уровня С51 с использованием операционной системы реального времени, что требует сравнительно большого объема памяти данных. Поэтому ТК имеет микросхему внешней памяти данных U5 объемом 32 кБ.

Объем резидентной памяти программ МК AT89S8252 составляет 8 кБ, что при применении языка ЯВА для разработки ПО может оказаться недостаточным, поэтому предусмотрена микросхема внешней памяти программ U3 объемом до 32 кБ.

Радиомодем U6 FX919B подключается к внешней шине данных МК и младшим разрядам А0 и А1 шины адреса МК. Регистры управления, состояния и данных радиомодема отображаются на адресное пространство внешней памяти данных МК [23].

Обмен данными между МК и РМ производится по прерываниям.

3.1.3 Подсистема передачи данных

Важнейшей частью систем телеуправления является подсистема связи объектов управления с ДП оператора. Исторически первыми были системы передачи данных по выделенным или коммутируемым телефонным линиям. Позже появились системы передачи данных по радио в УКВ диапазоне. В настоящее время, особенно за рубежом, интенсивно развиваются более современные системы передачи данных. В частности, в телеуправлении начинается использование сети Internet, а также сотовой связи. В Европе и США разработана сеть Mobitex, представляющая собой систему сотовой связи, специально предназначенную для низкоскоростной передачи данных.

---