Реферат: Разработка системы теплоснабжения
2.2.1.5. Датчики для сигнализации затопления приямка сетевых труб
Возможно применение двух вариантов датчиков: поплавкового и реле уровня. В настоящее время существуют поплавковые датчики заводского изготовления, например, датчик уровня РО-1. Возможна настройка на четыре значения уровня воды. Реле уровня основано на замыкании контакта при соприкосновении с жидкостью. Существуют следующие видов таких реле: РОС-101-011, РОС-101011И, РОС-101021, РМ-51.
Для контроля за данным параметром эффективным будет использование датчика с контактными электродами (реле уровня), так как он прост, дешев и надежен.
Для передачи телемеханических сигналов каждый комплект телемеханической аппаратуры пункта учета тепловой энергии должен соединяться с аппаратурой ДП линией связи того или иного вида. В состав канала связи входят кодирующая и декодирующая аппаратура, формирователь канальных сигналов, модулятор и демодулятор, а также линия связи. Такое обобщенное представление тракта передачи информации позволяет рассматривать различные модели каналов связи с учетом действующих помех, представлять свойства или характеристики каналов определенными функциональными зависимостями, которые учитывают информационные соотношения между входным и выходным множествами сигналов.
Линии связи являются основным, наиболее характерным и определяющим звеном системы передачи информации. От ее состояния, прежде всего, зависит надежность действия всей ТМС в целом. Свойства, параметры и характеристики линии связи, а также их стабильность во времени и при изменении внешних условий определяют энергетические требования, предъявляемые к сигналу, оказывают влияние на его формирование и на используемые методы передачи, на принципы построения схемных решений приемопередающей аппаратуры.
Все линии связи можно разделить на два больших класса: проводные и беспроводные. Проводные линии по исполнению подразделяют на воздушные и кабельные. Для кабельных линий связи применяют специальной конструкции систему металлических проводов - кабель, в которую входят кроме различного числа пар проводов с соответствующими скрутками их в четверки и объединением в повивы, дополнительные средства повышения механической и электрической прочности: специальная изоляция, экраны, различные покрытия. Для проводных линий свойственен электрический процесс (движение свободных электронов), который используется в качестве переносчика. Сооружение проводных линий требует затрат, превосходящих в большинстве случаев затраты на аппаратуру телемеханики.
Беспроводные линии связи, как естественно существующие физические среды, подразделяют на радио и гидравлические линии. Радиолинией, для которой характерен процесс распространения электромагнитных волн, принято называть околоземное и космическое пространство. Реально используемый диапазон частот для излучения электромагнитной энергии определяется частотами 3*10 -3*10 Гц. В последние годы были созданы генераторы оптического излучения - лазеры, возбуждающие электромагнитные колебания с частотами от 3*10- 3*10 Гц. Существующая специфика излучения в этом диапазоне обусловила его выделение в так называемую оптическую линию связи. В настоящее время широко распространены следующие виды линий связи:
– воздушные или кабельные проводные линии;
– радиолинии;
– линии энергоснабжения, используемые для организации каналов связи телемеханической системы;
– каналы связи, организуемые на линиях городской телефонной сети (ГТС);
– оптические линии связи.
Общим требованием, предъявляемым к каналам связи, является обеспечение максимальной скорости передачи сообщений при минимальных искажениях, вызываемых неисправностями аппаратуры и действием помех [5].
Рассмотрим линии связи относительно их применения в проектируемой телемеханической системе.
Проводные линии связи. Сооружение воздушных проводных линий связи в условиях крупного города практически осуществить невозможно. Прокладка кабельных линий связи потребует многочисленных согласовании с владельцами многочисленных коммуникаций города. При эксплуатации проводных линий связи высока вероятность их повреждения. Кроме того, стоимость как воздушной, так и кабельной линии связи, при современных ценах на материалы и строительно-монтажные работы, была бы чрезмерно высокой. Поэтому, даже учитывая то, что воздушные и кабельные линии отвечают критерию эффективности, их использование в существующих условиях нецелесообразно.
Радиолинии. В настоящее время радиолинии - один из распространенных видов связи, используемый для передачи сигналов различного назначения и характера. Характеристики радиолинии, в первую очередь, определяются значениями частот (длинами волн), выбранными для организации радиоканалов. Наиболее важное значение имеют локальность связи, надежность передачи сигналов, помехоустойчивость. Локальность связи заключается в том, чтобы система, работающая на данной радиолинии, не оказывала влияния на все посторонние приемники, а передатчики этих посторонних систем не должны влиять на приемники данной системы. Этим требованиям лучше всего удовлетворяет ультразвуковой диапазон (УКВ). К этому диапазону относят электромагнитные волны, длина которых меньше 10 метров. Применение УКВ для целей связи объясняется следующими факторами:
1) диапазон УКВ очень широк. В этом диапазоне, не учитывая миллиметровых волн, можно без взаимных помех разместить более 10000 систем по 600 каналов в каждой;
2) связь на УКВ отличается высокой устойчивостью и надежностью, а также отсутствием атмосферных и промышленных помех;
3) мощность передатчиков УКВ может быть небольшой, так как антенные устройства этого диапазона имеют сравнительно небольшие размеры и выполняются остронаправленными.
Линии электроснабжения, используемые для организации каналов связи ТМС. Высоковольтные линии электропередач (ЛЭП) и распределительные электрические сети (РЭС) используются в некоторых ТМС в качестве линий связи. В этом случае передача телемеханической информации осуществляется высокочастотными сигналами, то есть на ЛЭП и РЭС организуется высокочастотный канал связи (на частотах тысяч и десятков тысяч Гц). Применение высокочастотных каналов телемеханики на ЛЭП и РЭС дает большой экономический эффект, так как отпадает необходимость в сооружении собственной линии связи.
Путем применения высокочастотных перемычек, обеспечивающих обход силовых трансформаторов, в одной системе могут использоваться одновременно как ЛЭП, так и РЭС. Такие линии, построенные в соответствии с требованиями к подобным сооружениям, имеют высокую электрическую и механическую прочность, что обуславливает надежность тракта передачи телемеханических сигналов. Для организации высокочастотной линии связи на ЛЭП и РЭС используется дорогостоящий набор технических средств: аппаратура присоединения, высокочастотные заградители, высокочастотные перемычки - для обхода силовых трансформаторов.
Структура ЛЭП и РЭС Солнечного и Приволжского микрорайонов характеризуется высокой разветвленностью и многочисленными потребителями, что привело бы к необходимости применения большого числа технических средств организации высокочастотной линии связи, а, следовательно, к высокой стоимости сооружения и эксплуатации этих линий. Следует отметить, что обслуживание канала связи усложняется высокими напряжениями ЛЭП и РЭС. На основании этого можно сделать вывод о нерациональности использования таких линий связи в данной телемеханической системе.
Каналы связи, организуемые на линиях городской телефонной сети. Возможны два способа организации каналов связи на линиях ГТС. Первый способ заключается в использовании в системе некоммутируемых телефонных пар в телефонных кабелях, то есть пар, на длительное время закрепленных за телемеханической системой. Второй способ основан на соединении коммутируемых линий, то есть соединения двух абонентов происходит как при обычном наборе телефонного номера.
Проанализируем оба способа:
1) использование некоммутируемых пар в телефонных кабелях. В этом случае пары жил постоянно соединяют контролируемую тепловую насосную станцию с диспетчерским пунктом. В том случае, если КП и ДП могут быть подключены друг к другу через одну или несколько АТС, то на этих АТС должны быть установлены постоянные перемычки, соединяющие соответствующие жилы между собой. Выделенные пары проводов в кабелях ГТС используют только в телемеханике тепловых сетей. Использование проводов кабелей ГТС является эффективным способом организации канала связи для данной ТМС по следующим причинам: исключается необходимость в капитальных затратах на сооружение или организацию линий связи, а также снимается вопрос о поддержании линии связи в работоспособном состоянии;
2) использование коммутируемых пар. В этом случае дополнительные пары не требуются, и система телемеханики использует те телефонные пары, которые введены в ТНС для телефонной связи. В этом случае телемеханическая аппаратура насосной станции для передачи информации на ДП через ГТС организует соединение двух пунктов: ДП и КП. Если соединение состоялось, то телемеханическая информация передается. Достоинство: нет необходимости в дополнительно постоянно выделенных коммутируемых парах. Недостаток: передача информации полностью зависит от быстроты соединения двух пунктов. В принципе, применение коммутируемых пар возможно.
Оптические линии связи. В этом случае передача информации осуществляется световым лучом. Может использоваться передающая среда двух видов: атмосфера или оптоволоконный кабель. Для оптических линий, использующих атмосферу, характерны:
– высокая стоимость аппаратуры для организации канала;
– значительные эксплуатационные расходы;
– зависимость характеристик оптического канала от ряда случайных факторов.
Использование оптоволоконного кабеля сопряжено с большими затратами на его приобретение, трудностями с прокладкой в условиях крупного города, стоимостью приемопередающей аппаратуры, высокой вероятностью повреждения кабеля. Использование оптической линии связи в проектируемой ТМС не рационально.
В данной ТМС применены радиолинии в диапазоне УКВ частот. Так как расстояние между КП и ДП небольшие, то предполагается применить радиостанцию, обеспечивающую дальность передачи сигналов до 15 километров. Этому требованию удовлетворяет радиостанция “Лен”, изготавливаемая в Белоруссии. Ее дальность передачи составляет 10 километров.
Модем предназначен для преобразования последовательного цифрового кода в частотно-манипулированный сигнал (и обратно), пригодный для передачи по физическому каналу на значительное расстояние. Модем работает над преобразованием последовательного цифрового кода в частотно-манипулированный сигнал или частотно-манипулированного сигнала в последовательный цифровой код в зависимости от того, в какую сторону идут данные. Если данные приходят в модем из физической линии, то идет процесс преобразования частотно-манипулированного сигнала в последовательный цифровой код, т.е. демодуляция. Если модем сам передает данные в линию, то идет процесс преобразования последовательного цифрового кода в частотно-манипулированный сигнал, т.е. модуляция.
Модемы подразделяются по скорости модуляции-демодуляции. Современные модемы способны передавать и принимать данные со скоростью 56,6 Кб/сек [6].
В данном проекте такая высокая скорость не нужна, т.к. передается относительно малый объем информации, к тому же стоимость высокоскоростных модемов велика, поэтому используется модем со скоростью обмена данными 2400 байт/сек.
2.3. Структурные решения по программному обеспечению периферийного устройства
Периферийное устройство (контроллер) содержит в себе однокристальную ЭВМ, которая имеет свой внутренний язык ассемблер. На этом языке реализовано программное обеспечение для контроллера. Это программное обеспечение позволяет по сигналу из диспетчерского пункта считывать данные с тепловычислителя и направлять их на модем, который генерирует импульсы и посылает их на радиостанцию. В случае пожара, взлома или затопления пункта учета тепловой энергии, контроллер получает соответствующий сигнал и производит соединение с диспетчерским пунктом, и сообщает об аварии.
На диспетчерском пункте находится компьютер, через который производится слежение за параметрами на пунктах учета тепловой энергии. На компьютере есть программа написанная на языке высокого уровня, которая обеспечивает оператору интерактивный интерфейс с периферийным устройством и позволяет посылать контроллеру различные команды. Программа содержит в себе математический аппарат для расчета, учета, архивирования и хранения необходимых параметров.
3. Разработка периферийного устройства
В настоящее время стремительно развивается микроэлектроника и микропроцессорные системы. В этих областях, как ни в каких других, находят свое широкое применение высокие технологии, быстрее всего внедряются новые технические решения, новые технологии, растет мощность вычислительных элементов с одновременным уменьшением их размеров. Для данного проекта было выбрано одно из таких решений - микроконтроллер AT90S1200, фирмы Atmel. Ниже я постараюсь привести доказательства правильности своего выбора.
Логотип фирмы Atmel в настоящее время уже достаточно хорошо известен российским техническим специалистам в области микроэлектроники. Основанная в 1984 году, фирма Atmel Corp., США, определила сферы приложений для своей продукции как телекоммуникации и сети, вычислительную технику и компьютеры, встраиваемые системы контроля и управления, бытовую технику и автомобилестроение. Atmel сегодня - это прогрессивная компания, выпускающая сложные изделия современной микроэлектроники; это один из признанных мировых лидеров в производстве широкого спектра устройств энергонезависимой памяти высокого быстродействия и минимального удельного энергопотребления, микроконтроллеров общего назначения и микросхем программируемой логики от простейших устройств PAL и GAL до микросхем СБИС CPLD и FPGA. Достаточно сказать, что практически все базовые кристаллы промышленного стандарта MCS51 фирмы Intel успешно заменены прямыми аналогами семейства AT89 фирмы Atmel. Эти скоростные, полностью статические 8-разрядные КМОП микроконтроллеры с многократно модифицируемой Flash-памятью программ, низким энергопотреблением и широким диапазоном допустимых напряжений питания, аппаратно и программно совместимы с соответствующими микроконтроллерами Intel и пользуются заслуженной популярностью у разработчиков и производителей электронной аппаратуры.
Однако, хочется подробнее познакомиться с еще одним крайне интересным направлением современной микроэлектроники, активно развиваемым фирмой Atmel. Это новое семейство высокопроизводительных 8-разрядных RISC (Reduced Instruction Set Computers) микроконтроллеров общего назначения, объединенных общей маркой AVR [7].
Замысел создания AVR родился в исследовательском центре Atmel в Норвегии. Группа разработчиков (инициалы некоторых из них, кстати, и сформировали марку "AVR": Alf Bogen / Vergard Wollan / Risc architecture) предложила ряд идей, которые легли в основу концепции AVR - микроконтроллеров:
1) использовать новейшую, наиболее скоростную и экономичную КМОП технологию фирмы Atmel в сочетании с RISC архитектурой для разработки и производства быстрых 8- разрядных микроконтроллеров, сравнимых с 16-разрядными микропроцессорами и микроконтроллерами по производительности и превосходящих микросхемы стандартной КМОП логики по скорости. Ожидаемая производительность - до 20 MIPS на частоте 20 МГц, что всего на 30% меньше, чем у Intel KU80386EXTC-25 при операциях типа "регистр - регистр". Время выполнения короткой команды на такой тактовой частоте составляет 50 нс;
2) разрабатывать архитектуру и систему команд AVR в теснейшем согласии с принципами языка Си так, чтобы аппаратная часть нового микроконтроллера и его система команд были неотъемлемыми частями одного целого и использовались с максимальным к.п.д. Хорошо известно, что в 1990-е годы языки программирования высокого уровня стали стандартным инструментом при создании программного обеспечения для встраиваемых микроконтроллеров. Существенно сокращается время разработки проектов и, соответственно, снижается их стоимость, а также облегчается создание универсальных средств поддержки разработок. Недалеким от истины будет и утверждение, что язык Си является наиболее популярным и эффективным средством для программирования микроконтроллеров. Система команд AVR разрабатывалась при непосредственном участии экспертов по языку Си и учитывает все основные особенности стандарта ANSI C. Результат налицо: компиляция исходных текстов, написанных на Си, осуществляется быстро и дает компактный, эффективный код. Конечно, можно работать и на Ассемблере для еще большего выигрыша в плотности упаковки конечного программного кода, но теперь у разработчика есть разумная альтернатива;
