Автоматизация технического процесса бурения

 
 

    4.2 Место УСО в АСУ процесса бурения

    АСУ ТП должна иметь возможность и средства связи с объектом управления. Однако из главных различий между системами обработки данных и АСУ ТП состоит в том, что последняя должна быть способна в реальном времени получать информацию о состоянии объекта управления, реагировать на эту информацию и осуществлять автоматическое управление ходом технологического процесса. Для решения этих задач ЭВМ, на базе которой строится АСУ ТП, должна относиться к классу управляющих вычислительных машин (УВС), т. е. представлять собой управляющий вычислительный комплекс (УВК) УВК можно определить как вычислительную машину, ориентированную на автоматический прием и обработку информации, поступающей в процессе управления, и выдачу управляющих воздействий непосредственно на исполнительные органы технологического оборудования. Такая ориентация обеспечивается устройствами связи с объектом (УСО) (рис. ммм) - набором специализированных блоков для информационного обмена между управляющей ЭВМ и объектом управления. Различают пассивные и активные УСО.

Пассивные устройства выполняют команды опроса датчиков и команды выдачи управляющих воздействий. Они содержат комплекты входных и выходных блоков и блок управления. В состав входных и выходных блоков, обеспечивающих прием аналоговой и дискретной информации, входят преобразователи формы информации типа аналог-код и код-аналог, коммутаторы, усилители и т. п. Блок управления обеспечивает необходимый обмен информацией с управляющей ЭВМ и управление всеми блоками устройства, расшифровывает команды, поступающие от ЭВМ, и обеспечивает необходимый обмен информацией через блоки ввода-вывода

    Активные  УСО способны работать в автономном режиме слежения за состоянием управляемого объекта (процесса), а также выполняют  определенные алгоритмы преобразования информации, например, алгоритмы регистрации параметров и сигнализации об отклонении их от нормы, регулирования по одному из относительно простых законов и др. Построение УСО по активному принципу позволяет повысить надежность АСУ ТП в целом и эффективность использования управляющей вычислительной машины в результате сокращения потока информации, поступающей от объекта управления в управляющую ЭВМ.

 

    

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.        Типовая структура АСУ ТП на базе управляющей ЭВМ. 
 
 
 
 

 

    В настоящем дипломе разрабатывается конструкция функционально законченного устройства связи с объектом в системе сбора и первичной обработки информации о состоянии процесса бурения (рис.ццц). Система сбора и первичной обработки информации о состоянии процесса бурения является важнейшей функциональной подсистемой АСУ ТП ЗОЯ.

    В основном схема разработана на интегральных микросхемах ТТЛ серии К555 и  К155. Данная модель является практичной, недорогой и простой и позволяет  связать датчик любого типа с IBM PC или эквивалентным компьютером. Подробно рассматриваются принципы функционирования системной шины IBM PC и базовый аппаратный интерфейс, с которым связана вышеуказанная конструкция, а также работа системы прерываний, счетчиков и таймеров.  

    4.1 Описание работы  схемы

    В разрабатываемой схеме можно использовать до 64 портов - 32 входных и 32 выходных. В таблице ххх дается распределение портов платы. 

    Таблица ххх.

 

    Параллельный  порт ввода-вывода

    Хотя  компьютер IBM PC и обладает очень мощными средствами обработки данных, одного этого ему недостаточно. Он нуждается также и в средствах взаимодействия с внешним миром. Для обмена данными между компьютером и периферийным устройством необходимы аппаратные средства ввода-вывода и соответствующее программное обеспечение.

    Временные диаграммы

    Ключом  к успешному созданию любого интерфейса с системой является обеспечение  совместимости временного распределения  его работы с аналогичными параметрами  системной шины. Во временных диаграммах и таблицах, приведенных на рис. 3.5, представлена детальная информация о временном распределении шинных циклов записи и чтения для ВВ.

    Шинный  цикл обычно состоит из четырех рабочих  периодов длительностью Т (машинный такт), однако компьютер автоматически вводит в этот цикл дополнительный период ожидания (TW). Таким образом, в компьютере весь шинный цикл ВВ содержит как минимум пять периодов Т, т.е. его длительность равна примерно 1,05 мкс. Шинный цикл может быть дополнительно увеличен путем регулирования длительности сигнала готовности (10 СН RDY) на системной шине. Обратите внимание на то, что выводы А16—А19 адресной шины компьютера не переводятся в активное состояние во время шинных циклов ВВ.

    Шинный  цикл чтения ВВ инициируется каждый раз, когда микропроцессор 8088 выполняет  команду IN. Во время периода Т1 в активное состояние переключается линия сигнала ALE, по срезу которого выдается признак того, что разряды АО—А15 адресной шины содержат действительный адрес порта ВВ. Во время периода Т2 в активное состояние переводится сигнал управления IOR, который указывает, что отклик адресуемого входного порта должен заключаться в выводе им своего содержимого на шину данных. В начале периода Т4 процессор считывает информацию с шины данных, а затем линия сигнала IOR переводится в неактивное состояние.

    Шинный  цикл записи ВВ инициируется каждый раз, когда процессор 8088 выполняет команду OUT. Во время периода Т1 в активное состояние переводится управляющий сигнал ALE, по срезу которого выдается признак того, что разряды АО-А15 адресной шины (содержат действительный адрес порта. Затем во время периода Т2 в активное состояние переключается сигнал IOW, который указывает выбранному выходному порту, что ему следует считать содержимое шины данных. Далее в течение этого же периода процессор 8088 выводит на шину данные, которые должны поступать на выходной порт. В начале периода Т4 сигнал IOW переходит в неактивное состояние и процессор 8088 удаляет данные с шины.

    В таблицах, представленных на рис 3.5, приводится информация о временных соотношениях в виде данных для наихудшего случая по максимуму и минимуму. Следовательно, эти данные справедливы для всех условий нагрузки шины и всех уровней напряжений питания в пределах заданных допусков. 

 

    

    

    Рис. 3.5. Временные диаграммы работы порта ввода вывода. Временное распределение шинного цикла чтения для порта ввода (а) Временное распределение шинного цикла записи для порта вывода (б). 
 
 

 

     Сопряжение компьютера РС с микросхемой  порта ввода-вывода типа Intel 8255

    Программируемый таймер/счетчик

    Программируемый таймер ИС КР580ВИ3 содержит три независимых 16-разрядных счетчика, выполняющих счет в обратном направлении. Предварительный установка позволяет задавать двоичный или двоично-десятичный алгоритм счета, причем каждый из счетчиков может работать в одном из шести режимов:

0. Прерывание терминального счета;
1. Ждущий мультивибратор;
2. Генератор импульсный;
3. Генератор меандра;
4. Одиночный программно формируемый стробирующий сигнал;
5. Одиночный аппаратно стробирующий сигнал.

    Частота следования синхроимпульсов может  быть в пределах до 2,5 МГц.

    В разрабатываемом устройстве  на основе таймера-счетчика ИС 8253 реализована  счетная схема. Источник напряжения 5 В подключается между точками  V_cc и GND. Линии D0-D7 подведены к буферизированной шине данных.

      Цифро-аналоговый  преобразователь

    На  рис.ррр показана внутренняя схемотехническая организация 8-разрядного ЦАП AD 558 фирмы Analog Devices. Когда обе управляющие линии выбора кристалла находятся в активном состоянии, на 8-разрядный фиксатор поступает байт данных от шины данных. Это 8-разрядное двоичное число хранится в фиксаторе до тех пор, пока не выбирается следующий кристалл. Каждый разряд фиксатора контролирует состояние транзисторного ключа, действующего на R = 2R резисторную матрицу с лазерной подгонкой, состоящую из 16 резисторов. К конечному ОУ подключена резисторная цепь, с помощью которой пользователь может устанавливать диапазон изменения выходного сигнала.

    На  рис. ллл показана схема подключения выводов ЦАП при использовании на интерфейсной плате. Линия выбора порта Е11 (порт ЗОВН) инициализирует выбор ЦАП как порта вывода. При переключении линии управления выходное напряжение изменяется в диапазоне 0…2,56 В.

    Наличие двух общих (земляных) выводов у микросхемы AD558 типично для устройств, реализующих как аналоговые, так и цифровые функции. Эти выводы предназначены для минимизации резистивной связи и шума в цепях прохождения аналогового сигнала.

    Для уменьшения шума (помех) в системе, содержащей как аналоговые, так и цифровые компоненты, хорошие практические результаты дает использование всюду внутри системы раздельных общих проводов для аналоговых и цифровых схем и соединение этих общих проводов друг с другом только в одной точке.

    Аналого-цифровой преобразователь

    Обоснование выбора АЦП

    4.2 Расчет производительности

    Производительность системы рассчитывается путем оценки полного времени, затрачиваемого на одно преобразование. Список всех временных задержек, называемых временным бюджетом, облегчает расчет производительности.

    . 

    4.3 Расчет точности

    Для расчета точности системы используется список основных источников погрешностей в системе, начиная от ее аналогового  входа и заканчивая цифровым выходом. Прочие погрешности, не указанные в  таблице бюджета погрешностей (погрешность, возникающая в результате спада напряжения на выходе УВХ в режиме хранения и т.д.) пренебрежительно малы (не превышают 0.01%)