99531

Автоматическая система регулирования температуры

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Автоматика и вычислительная техника за последнее время приобрели наибольшее значение для производства. Успех дальнейшего подъёма материально-технического уровня стал возможным только на базе широкого внедрения автоматизированных систем управления производственными процессами.

Русский

2016-09-21

108 KB

0 чел.

Автоматическая система регулирования температуры

Содержание

Введение                                                                                         3

1.Разработка структурной схемы                                                  5

2.Разработка принципиальной электрической схемы                 8

3.Расчётная часть                                                                          10

4 Расчет печатной платы                                                              16

5 Разработка конструкции                                                             19

Заключение                                                                                    20

    Список использованных источников                                             21

Введение

Ускорение научно-технического прогресса  и интенсификация производства невозможны без электронных средств автоматизации управления и контроля, которые служат для получения, обработки и использования информации.

Автоматика – отрасль науки и техники с помощью, которой удаётся автоматически управлять протеканием процессов или поведением объектов и контролировать их состояние. Человек заменяет себя автоматами, когда они дешевле, быстрее, точнее, надёжнее.

По мере развития элементной базы, повышения её надёжности область применения автоматически расширяется, что увеличивает скорость и точность выполнения операций, повышает производительность труда и улучшает качество.

Системы автоматики позволяют управлять вредными процессами в химии, ядерной техники.

Автоматика и вычислительная техника за последнее время приобрели наибольшее значение для производства. Успех дальнейшего подъёма материально-технического уровня стал возможным только на базе широкого внедрения автоматизированных систем управления производственными процессами.

Отрасль техники, связанная с разработкой методов и средств контроля и управления производственными процессами, называется автоматикой и телемеханикой. При этом автоматика – управление и контроль на сравнительно небольших расстояниях, а телемеханика – управление и контроль на расстоянии, для преодоления которого необходимо применение специальных средств.

Автомат (греческоеautomatos – самодействующий) – устройство, позволяющее осуществлять производительный процесс без непосредственного участия человека и лишь под его контролем В развитие автоматики и вычислительной техники вложен труд многих отечественных и зарубежных учёных.

С именем великого мыслителя М.В.Ломоносова связано начало развития приборостроения. Он вместе с академиком Г.В.Рихманом впервые в мире построил электрический измерительный прибор со шкалой.

Автоматический регулятор, принцип которого лежит в основе всех современных регуляторов, был разработан и испытан в 1765 г. И.И.Ползуновым.

Академик Б.С.Якоби создал электродвигатель и синхронную передачу.

В 1850 г. Э.Х.Ленц разработал осциллограф. Изобретатель А.П.Давыдов создал следящий привод. Профессор Петербургского технологического института И.А.Вышнеградский в 1877 г. заложил основы теории автоматического регулирования.

Дальнейшее развитие теория автоматического регулирования получила в работах А.М.Ляпунова и, особенно в трудах отца русской авиации Н.Е.Жуковского.

Огромный скачок в развитии    автоматического управления был совершён в послевоенные годы, когда в системы автоматического регулирования стали включаться быстродействующие электронные вычислительные машины. Развитие вычислительной техники сделало возможным создание больших автоматических систем управления сложными производственными процессами и управления целыми отраслями промышленности.

В 1918 г. М.А. Бонч-Бруевич изобрёл основной элемент вычислительной техники – триггер. В начале 40-х годов американский учёный Шеннон и советский физик В.И.Шестаков независимо один от другого предложили применение аппарата математической логики к анализу и синтезу релейных схем.

В настоящее время технический прогресс во всех отраслях производства в большой мере связан с автоматизацией производственных процессов. Любое автоматическое устройство состоит из отдельных элементов, основные и наиболее распространённые из которых – датчики, реле и усилители, генераторы низкочастотных и высокочастотных колебаний. Электрическое питание схем усилителей, генераторов и других устройств автоматики осуществляется преимущественно от выпрямителей.

1 Разработка структурной схемы

Общая структура автоматической системы регулирования  температуры приведена на чертеже БККП.023025.000Э1. Такая система автоматического регулирования обеспечивает поддержание заданной температуры. Световую индикацию работы нагревателя.

В структурной схеме автоматического регулятора температуры можно выделить следующие элементы:

  • Объект регулирования
  • Нагреватель
  • Датчик - терморезистор
  • Электронный ключ – семистор
  • Световая сигнализация
  • Блок питания
  • Персональный Компьютер
  • Преобразователь интерфейса
  • Модуль ОВЕН ТРМ-210
  • АЦП
  • Цифровой фильтр, коррекция, масштабирование
  • ПИД-регулятор
  • Вычислительное устройство
  • Цифровой индикатор
  • ИнтерфейсRS-485

Входящие в структурную схему функциональные устройства выполняют следующие функции:

-Датчик температуры - терморезистор для измерения температуры;

- Ключом осуществляется запуск и остановка процесса регулирования;

- Преобразователь интерфейсов предназначен для взаимного преобразования сигналов интерфейсовUSB иRS-485;

-Измеритель ПИД - регулятор ТРМ210 предназначен для  измерения и автоматического регулирования температуры.

  • В свою очередь, в состав ПИД - регулятора входят следующие блоки:

- Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)  предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой код;

- Корректор служит для устранения начальной погрешности преобразования входного датчика и погрешностей, вносимые соединительными проводами;

- Цифровой фильтр уменьшает влияние случайных  импульсных помех на результат измерения. Предусмотрена двухступенчатая фильтрация: «полосовая», устраняющая значительные единичные помехи и «сглаживающая», снижающая действие небольших высокочастотных помех;

- ПИД - регулятор управляет происходящими процессами в контуре регулирования с наиболее высокой точностью и эффективностью. Сигналом управления является сумма трех составляющих (пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих);

  • Пропорциональная составляющая ─ регулирующее воздействие зависит от величины рассогласования. Эта составляющая отвечает за реакцию на мгновенную ошибку регулирования.
  • Интегральная составляющая ─ скорость изменения регулирующего воздействия зависит от величины рассогласования. Интегральная составляющая содержит в себе накопленную ошибку регулирования, которая является дополнительным источником выходной мощности и позволяет добиться максимальной скорости достижения уставки при отсутствии перерегулирования.
  • Дифференциальная составляющая ─ регулирующее воздействие зависит от скорости изменения параметра. Вызывает реакцию регулятора на резкое изменение измеряемого параметра, возникшее, например, в результате внешнего возмущающего воздействия.
  • Для эффективной работы ПИД - регулятора необходимо подобрать для конкретного объекта регулирования значения коэффициентов ПИД - регулятора. Это можно сделать вручную или воспользоваться режим автонастройки прибора;

- Выходные устройства –это тиристорная оптопара, которая используется для управления нагревателем при регулировании;

- интерфейс связиRS-485 предназначен для включения прибора  ТРМ210 в сеть, организованную по стандартуRS-485;

- Индикаторы для отображения измеряемых параметров, значения уставки, программируемых параметров.

2 Разработка электрической принципиальной схемы

Электрическая принципиальная схема системы автоматического контроля температуры приведена на чертеже БККП.023118.100Э1.

Разрабатываемая система регулирования должна иметь следующие параметры:

Регулируемый или контролируемый параметр – температура

Терморезисторный – датчик

Тип, семейство устройства управления – модуль ОВЕН

Исполнительное или регулирующее устройство – нагреватель

Электронный ключ – семистор

220В 50Гц – напряжение питания

500Вт – потребляемая мощность исполнительным или регулирующем устройством

Данная схема состоит из:

- Преобразователя интерфейсов

- Термоэлектрического датчика – термопары

- Измеритель ПИД-регулятор ТРМ 210

- Семисторной оптопары

- Ограничительного резистор

- Нагревателя

- Выключатель

Включение питания осуществляется тумблеромSA1 исходя из напряжения питания 220В и током нагрузки 2,27А.

Для включения мощного нагревателя, в качестве электронного ключа,  выступает семистор типа КУ208А с током нагрузки 10А.

Регулятор ТРМ 210, который наиболее удоволетворяет условия, обеспечивая заданные параметры регулирования. Применяется для управления объектами с повышенной инерционностью.

Преобразователь интерфейсовRS-485/USB предназначен для взаимного преобразования сигналов интерфейсовUSB иRS-485. Позволяет подключать к промышленной сети персональный компьютер имеющийUSB порт.

Ограничительный резистор предназначен для ограничении напряжения питания светодиода, входящего в состав семисторной оптопары, выбран небольшой мощности, так как потребление светодиода составляют десятки миллиампер.

Нагреватель мощностью 500Вт.

Выбор радиоэлектронных компонентов, цепей и контуров обусловлен назначением каждого блока  структурной схемы.

Блок питания данной системы выбран стандартный для питания модуля на 24 В.

В качестве датчика используется терморезистор типаDTCXX4. Его выбор обусловлен подходящем диапазоном измеряемых температур от -50 до +250.

При отклонении температуры от заданного уровня поступает сигнал с модуля на включение либо отключение нагревателя.

3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Расчет светодиода

                             Рисунок 1

Выбираем светодиодHL1 ЕР2012-150R1 с параметрами:

Прямой токIпр, А                                                                 0,01

Прямое падение напряженияUпр.max, В                              2,4

Рассчитываем сопротивлениеR4 по формуле:

R4=Uпит-Uпр.maxHL1/IпрHL1

ГдеUпит – напряжения питания, В

Uпр.maxHL1 – падение напряжения наHL1, В

IпрHL1 – ток через светодиодHL1

R4=(18-2,4)/0.01=1560 Ом

Рассчитываем мощность по формуле

PR4=(Uпит-UпрHL1)*I пр

гдеUпит- напряжение питания

UпрHL1- прямое напряжение на диоде

I пр- прямой ток диода

PR4=(18-2,4)*0,01=0,156 Вт

Выбираем резистор типаМО-500-5-56 Ом ±5%

3.2.Выбор терморезистора

Принцип действия терморезистора основан на изменении сопротивления чувствительного элемента при изменении температуры.

Измерение температуры сводится к измерению сопротивления на выходе терморезистора с помощью электроизмерительного прибора, в качестве которого применяется 16-разрядный АЦП модуля ТРМ-210.

Из терморезисторов  наиболее широкое распространение получили терморезисторы проволочные.

Выбираем терморезистор типа ДТС ХХ4 с параметрами, приведенными в таблице 1

Таблица 1

Тип

преобразователя

Класс

допуска

Допустимые отклонения

Диапазон

измеряемых

температур,оС

ДТС ХХ4

2

1.5%

от -50 до +250

3.3 Расчет цепи электронного ключана семисторе

R3

R2C1

Rн

Так как мощность потребляемая нагревателем составляет  500Вт,найдем ток проходящий через нагреватель.

Iн=P/Uп=500/220=2,27А

Выбираем семистор КУ208А

Параметры семистора:

Iу откр.=160мА;

Uу откр.=5В;

Iпр.=10А.

Рассчитываем сопротивлениеR2

R2=Uу  откр./Iу откр. =5/0,16=31Ом

Рассеиваемая мощность равна 10Вт.

Зависимость отпирающего тока, напряжения  управляющего  электрода от температуры корпуса смотрели по графикам, значение нормальное 200С.

Рассчитываем мощность потребления:

Рпот=Iу откр·Uу откр=0,160·5=0,8Вт

3.4Расчет  и выборблока питания

+24В

220В

50Гц

Рисунок 2 – Рассчитываемая электрическая схема

Определим максимальную потребляемую мощность разрабатываемого устройства Р, Вт по формуле:

Р=РДУП,       (1)

где РД – мощность потребления датчик,

РУ – мощность потребления усилителя,

РП – мощность потребления преобразователя.

Р=0,5+0,55+0,8=1,85Вт

Выбираем по мощности потребления блок  питания БП-04.

4 Расчет печатной платы

В связи с небольшим количеством элементов, составляющих конструкциюсистемы контроля температуры, применим неавтоматизированный метод разработки печатной платы. Для этого производим реконфигурацию схемы.

Принципиальная электрическая схема проектируемого устройства после реконфигурации принимает вид , представленный на рисунке 4

Составляем таблицу, необходимую для определения размера контактной зоны печатной платы, используя данные о геометрических размерах используемых элементов. Обозначения элементов в соответствии с принципиальной схемой БККП 023118.110Э3.

Таблица 2Габаритные размеры элементов

Обозначение

элемента

Тип элементов

околичество

Габаритные

размеры, мм

Установочная

площадь, см2

С1

0603 X7R 10nF 6.3v ±10%

1

1,6*0,8

0,0128

FU1

60R025

1

3*5

0,15

HL1

ЕР2012-150R1

1

1118

1,98

R1

МО-500-5-56 Ом±5%

1

8*2,3

0,184

R2

МО-12,5-0,125-270 Ом±5%

1

8*2,3

0,184

R3

МО-12,5-0,125-100 Ом±5%

1

8*2,3

0,184

R4

МО-12,5-0,125-100 Ом±5%

1

8*2,3

0,184

VD1

1N5918В

1

2,8*9

0,252

VD2

1N5918В

1

2,8*9

0,252

VS1

КУ208А

1

 0,43*0,5

0,22

Для расчета площади монтажной зоны находим суммарные установочные площади малогабаритных, среднегабаритных и крупногабаритных радиоэлементов.

К малогабаритным элементам относим: С1,FU1, ,R1-R4,VS1.

К среднегабаритным элементам относим:VD1-VD2

К крупногабаритным элементам относим: ,HL1

Суммарная площадь малогабаритных электро-радиоэлементов равна:

Sмг=0,0128+0,15+0,184*2+0,252*2+0,24=1,45 см2

Суммарная площадь среднегабаритных электро-радиоэлементов равна:

Sсг1,638*2=3,276 см2

Суммарная площадь крупногабаритных электро-радиоэлементов равна:

Sкг= =1,98 см2

Согласно данным приведенным в таблице 1, рассчитываем площадь монтажной зоны по формуле :

Sмз = 4 ∙Sмг + 3 ∙Sсг+1,5 ∙Sкг

Sмз = 4*1,80+3*3,276+1,5*1,98=20,5 см2

Исходя из того, что, кроме монтажной зоны, на печатной плате должно быть предусмотрено место для крепления платы к корпусу, выбираем габаритные размеры печатной платы  4*6 сантиметров. Площадь такой печатной платы равна 24см2, что полностью удовлетворяет запросам по размерам монтажной зоны и величины крепежных элементов устанавливаемых на печатную плату./2/

5 Разработка конструкции

Вроли корпуса использован стандартный корпусNGS 9811. Передняя панель прикрепляется четырьмя винтами по углам. Передняя панель корпуса изготавливается из листа винипласта толщиной 1,5мм . Для удобства обслуживания все элементы стенда установлены на лицевой панели.

Сборка электрической схемы осуществлена путем навесного монтажа элементов, которые крепятся на монтажных колодках и стойках, зафиксированных на обратной стороне лицевой панели. Все электрические соединениявыполнены монтажным проводом типаМВГ-0,5.

Подключение питания производится через клеммные колодки. Шнур подключен к клеммной колодке, расположенней в нижнем левом углу, откуда напряжение 220 В поступает на необходимые блоки. В правом нижнем углу расположены держатели предохранителей и тумблер «СЕТЬ.

Исследуемый модуль ОВЕН расположен в верхнем левом, там же расположены клеммые колодки для подключения исполнительного устройства-нагревателя и термоэлектрического датчика-термопары.

В правом верхнем углу расположен преобразователь интерфейсов

Маркировка элементов на лицевой панели нанесена путем распечатки позиционных обозначений черными чернилами на белой бумаге и последующем приклеивании их и покрытии прозрачным скотчем.

Заключение

В процессе выполнения курсового проекта была спроектирована автоматическая система регулирования температуры. При разработке производился расчёт отдельных узлов схемы, а именно семисторная оптопара, светодиод.

Спроектированная система удовлетворяет условиям на проектирование, а именно сигнализирует о снижении заданного уровня температуры, поступающего на вход схемы.

Список использованных источников

1.Техническая электроника, Ткаченко Ф.А., – Мн; Дизайн-ПРО, 1982

2.  Расчёт и конструирование деталей аппаратуры САУ, Савостьянов В.П. и др. – М; Машиностроение, 1966

3.  Датчики контроля и регулирования. Агейкин Д.И. – М; Машиностроение, 1965

4.  Промышленная электроника и микроэлектроника. Галкин В.И. и д.р. – Мн; Беларусь, 2000

5.  Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник, Акимов Н.Н. и др. – Мн; Беларусь, 1994

6. Справочник по полупроводниковым приборам (СD), Шульгин О.А., Шульгина И.Б., Воробьев А.Б., Лазер Арт, 1997

7.www.masterkit.ru


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33568. Новейшая история государственного управления в России 65.5 KB
  Конституция Российской Федерации принята 12 декабря 1993 г. В Российской Федерации охраняются труд и здоровье людей устанавливается гарантированный минимальный размер оплаты труда обеспечивается государственная поддержка семьи материнства отцовства и детства инвалидов и пожилых граждан развивается система социальных служб устанавливаются государственные пенсии пособия и иные гарантии социальной защиты.
33569. Сущность, признаки и природа государства 49.5 KB
  Сущность признаки и природа государства Понятие сущность и природа возникновения государства. Сущность государства категория раскрывающая то кем и в чьих интересах осуществляется государственная власть. Природа государства и государственного управления заключается в том что государство возникает на основе общественных потребностей которые обусловлены потребностями людей: физическими социальными интеллектуальнодуховными. Функции государства.
33570. Основные понятия в системе государственного управления 108 KB
  Основные понятия в системе государственного управления Государственное управление это практическое организующее и регулирующее воздействие государства через систему своих структур на общественную и частную жизнедеятельность людей в целях ее упорядочения сохранения или преобразования опирающееся на его властную силу Природа государственного управления: необходимость общественная обусловленность и целевая направленность Наиболее общая причина возникновения – необходимость регулирования отношений в коллективе. Государство это...
33571. Государственная власть и государственное управление 54 KB
  Признаки государственной власти: суверенитет верховенство и общеобязательность решений на данной территории; власть государства распространяется на все сферы общественной жизни; государство обладает полномочиями на применение насилия; государственная власть обладает публичностью и гласностью; легитимность признание населения действующей власти; Государственное управление – целенаправленное воздействие согласующее и мобилизующее деятельность населения территории органов власти органов местного самоуправления организаций...
33572. Статус и полномочия Президента Российской Федерации 41.5 KB
  Статус и полномочия Президента Российской Федерации Конституционный статус и полномочия Президента Российской Федерации как высшего должностного лица государства. Функции Президента Российской Федерации. Президент Российской Федерации является главой государства. Президент Российской Федерации является гарантом Конституции Российской Федерации прав и свобод человека и гражданина.
33573. Система органов исполнительной власти Российской Федерации 44 KB
  Система органов исполнительной власти Российской Федерации Система и функции федеральных органов исполнительной власти. Функции органов исполнительной власти субъекта Российской Федерации. Правительство Российской Федерации состоит из Председателя Правительства Российской Федерации заместителей Председателя Правительства Российской Федерации и федеральных министров Правительство Российской Федерации: а разрабатывает и представляет Государственной Думе федеральный бюджет и обеспечивает его исполнение; представляет Государственной Думе...
33574. Социальное государство. Управление социальной сферой 34.5 KB
  Социальное государство. Изменение роли государства: инструмент политической власти ночной сторож институт макроэкономического регулирования социальное государство эффективное умное государство. Ночной сторож Выражение государство ночной сторож о функциях государства соответствует итальянскому выражению государствокарабинер и должно обозначать государство чьи функции ограничиваются охраной общественного порядка и гарантированием соблюдения законов. Противоположностью такому государству должны служить этическое...
33575. Государственное регулирование экономики, Уровень и качество жизни населения и национальная безопасность 114 KB
  Национальная безопасность Российской Федерации это гарантированная конституционными законодательными и практическими мерами защищенность и обеспеченность ее национальных интересов. Компетенция Счетной палаты РФ Формирование и принципы работы Счетной...
33576. Субъект Федерации: особенности государственного устройства и органы государственного управления 39 KB
  ассиметричность равные по конституции РФ субъекты имеют разные госправовые статусы В наст время 83 субъекта РФ .из них 21 республика 6краев 49 областей 2 города федерального значения 1 автономная область 10 автономных округовмуниципальные образования Полномочные представители Президента в федеральных округах призваны обеспечить реализацию принципов федерализма Полномочия субъекта РФ согласно Конституции РФ 1993 года: В совместном ведении РФ и субъекта РФ: 1 обеспечение соответствия конституции и законов субъектов РФконституции и...