|
| |
АВТОРЕФЕРАТпо теме магистерской работы Топчий В. А. «Цифровой регистратор параметров режима систем электроснабжения»
Руководитель: д.т.н.; проф. Куренный Э. Г. | |
|
Актуальность. В настоящее время мощность вырабатываемой энергии для нужд тяжелой промышленности в крупных городах постоянно растет. Аварии в системах электроснабжения влекут за собой большие расходы на ремонт или частичную замену вышедшего из строя электрооборудования. Для предотвращения аварийных ситуаций в процессе работы электрооборудования, в настоящее время на крупных предприятиях начали создавать отделы, занимающиеся расчетами надежности электрических систем. В расчетах надежности электрической системы необходимо использование данных о состоянии отдельных узлов системы на протяжении длительного времени их работы. Такие данные раньше получали путем регистрации оператором необходимых величин с аналоговых приборов за определенные интервалы времени. Ошибки оператора в процессе регистрации негативно сказываются на конечном результате расчетов. Для повышения точности измерений и предотвращения появления ошибок были задействованы современные цифровые регистраторы, выпускаемые различными зарубежными фирмами. В Украине начинается выпуск отечественных цифровых регистраторов. а) память; если «старые» приборы только показывали значение тока, напряжения, мощности, то компьютерная техника запоминает все показания за любой промежуток времени, а так же выдает готовые протоколы, таблицы; б) точность измерений цифровой техники не уступает точности измерений аналоговых приборов, однако благодаря тому, что цифровые приборы работают под управлением компьютерных программ, начало, окончание каких-либо процессов можно фиксировать с заранее заданной точностью; в) построение графиков каких-либо процессов, сравнение их между собой, ранее занимало много времени и привлечение большого коллектива специалистов. Теперь один компьютер непрерывно фиксирует показания большого количества приборов, мгновенно строит сравнительные характеристики в режиме реального времени; г) несомненным достоинством компьютерной техники является то, что она программируема. Если раньше, чтобы оценить правильность какой либо теории или узнать, будет ли работать новый механизм, создавали не одну экспериментальную модель, подчас очень дорогостоящую, то теперь на одном и том же компьютере можно смоделировать (причем многократно, изменяя различные параметры) почти любые процессы, смоделировать работу различных механизмов. При этом экономится время, материальные ресурсы. Однако, от экспериментатора теперь требуется знание программирования и умения работать на компьютере. Учитывая вышесказанное, я решил рассчитать и собрать цифровой регистратор электрических величин. Прибор работает по определенной программе. К достоинствам прибора относится то, что он автономен, работает от аккумуляторной батареи, небольшой по размерам и по весу. К достоинствам можно отнести так же и то, что прибор не связан с сетевым питанием, при котором возникают неизбежные паразитные помехи, вносящие существенные искажения в результаты конечных измерений. Регистратор питается от автономного источника питания, потребляя при этом незначительное количество электроэнергии. Регистратор может измерять не только ток, напряжение в месте его подключения, но и при подключении к нему соответствующих датчиков – температуру, освещенность, давление, влажность и т. д. Данные о регистрируемых величинах оцифровываются и остаются в энергонезависимой памяти. Прибор можно подключать к компьютеру и передавать полученные данные для последующего анализа, обработки. Регистратор имеет четыре независимых, равнозначных канала. Они могут включаться как одновременно, синхронно, так и каждый в отдельности. Свое устройство я решил собрать на микроконтроллере. Почему? К сожалению, по объективным причинам радиолюбители стран СНГ за прошедшие десятилетие специализировались в основном на ремонте радиоаппаратуры. Многие из них, освоив цифровую технику начала 1990-х годов, на том и остановились. А ведь любители, как и специалисты, должны переучиваться (повышать свой технический уровень) каждые 5-7 лет. [1] У зарубежных радиолюбителей сейчас преобладают в основном два направления: 1) измерительная, автомобильная и медицинская электроника; 2) малая автоматизация (small automation) и роботизация быта (концепция «умного жилища») [2] Они успешно основывают и внедряют в свои приборы новейшие достижения электроники. Средний уровень любительских разработок приближается к профессиональному. Этому способствует широкое применение микроконтроллеров в изготовлении простых, но полезных для быта схем. Вместо «россыпи» микросхем малой и средней степени интеграции применяют один МК или одну программируемую логическую интегральную схему. Основная нагрузка разработчика теперь переносится не на схемные ухищрения, а на алгоритм работы программы. Увы! У нас хороший инженер-программист, как правило, слаб в электронике, хороший схемотехник пасует перед простейшей программой. Еще в 1980-х годах «мы» отставали от «них» всего на четыре года (фирма Intel выпустила свой первый микроконтроллер в 1981 году, а в 1985 у нас появились аналогичные по возможности микроконтроллеры серии К1816) [3] . Сейчас же мы отстаем, как мрачно шутят, «навсегда». Чтобы не оправдывать такие мрачные прогнозы, моя магистерская работа представляет собою «состыкование» таких предметов, как электроснабжение (учет и оценка электроэнергии) – электроника – программирование. После развала СССР наших специалистов буквально «растащили» по всему миру именно за то, что они были разносторонне образованными и умели работать на стыке различных наук, объединять, казалось бы, несоединимое. Хочется поддержать марку нашей науки. Итак, выбор был сделан в пользу регистратора на современной элементной базе – на микроконтроллере. Следующий шаг: какой микроконтроллер (МК) выбрать. Была проделана определенная, довольно трудоемкая работа: пришлось «перелопатить» горы литературы и пересмотреть множество источников в Интернете, сравнивая между собой характеристики МК различных фирм производителей: фирмы «Atmel» , фирмы «Philips» , фирмы «MicrochipTechologyInc» , фирмы «Altera» . Сравнивая между собою микроконтроллеры по параметрам, пришлось учитывать «мрачный» фактор (отставание «навсегда»): не все, то что уже есть, можно приобрести у нас на данный момент. Я остановил свой выбор на микроконтроллере фирмы Atmel типа ATmega8: микросхема надежной фирмы, с надежными (подходящими для моего прибора) характеристиками и, что немаловажно, детально, хорошо расписанной технической документацией и многочисленными примерами использования микроконтроллеров этой фирмы в различных разработках (все разработчики, изобретатели, обязательно просматривают работы своих коллег, опираются на опыт своих предшественников, работают не «с нуля»). Питание регистратора осуществляется от источника +12 В. Непосредственно микроконтроллер питается от источника +5В. Входные сигналы, подаваемые на МК и измеряемые им, не должны быть по амплитуде более +5В. Поэтому, измеряемый сигнал, прежде чем попасть на микроконтроллер, попадает на аналоговый масштабирующий усилитель, который «слабый» сигнал усиливает до +5В, а сигнал, существенно больший по амплитуде, чем +5В, «ослабляет» до нужных пределов. Коэффициенты деления учитываются при дальнейшей обработке сигнала. Кроме этого, входной усилитель преобразовывает сигналы с отрицательной полярностью (например, синусоидальное напряжение в сети), в сигналы только положительной полярности). В дальнейшем, при передаче информации в компьютер, регистратор передает вместе с потоком информации и сообщения о полярности измеряемых сигналов. После входного усилителя, измеряемый сигнал, обработанный до уровня наилучшего восприятия микроконтроллером, поступает на вход АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Почему сигнал надо подготавливать? Здесь надо сделать небольшое отступление в метрологию, очень важную дисциплину для электроснабжения. При сравнении аналоговых и цифровых приборов, помимо предоставляемых возможностей и режимов работы, надо также принимать во внимание и их основные характеристики – точность и быстродействие. Точность цифрового прибора определяется не только количеством знаков после запятой, которое выводится на экран управляющей программой. Одним из основных критериев является разрядность аналого-цифрового преобразователя. Этот параметр определяет степень разрешения при измерениях, то есть ту наименьшую разницу между двумя соседними значениями, которую «чувствует» измерительный прибор. К примеру, восьмиразрядный АЦП разбивает измеряемый сигнал на 256 делений (28=256). Его полная шкала составляет 5В, значит, он различает два уровня входного напряжения, отличающегося примерно на 20 мВ; это соответствует чувствительности хорошего стрелочного прибора класса 0,4 или хорошего осциллографа. Простой расчет показывает, что входное напряжение 4В может быть измерено с точностью около 0,5%, а напряжение 100 мВ – лишь с точностью около 20%. Здесь проявляется известное эмпирическое правило «последней трети шкалы», которое, вероятно, известно всем пользователям аналоговых мультиметров и остается столь же актуальным в цифровой технике [3] . Вот поэтому, входной усилитель как можно точнее подгоняет измеряемый сигнал под «шкалу» АЦП. Чтобы не вносить погрешность в измерения, входное сопротивление усилителя (и всего регистратора) составляет 1 МОм. В моем регистраторе АЦП имеет 10 разрядов, входной сигнал (шкала) 5В. Весь сигнал разбивается на 210=1024 значения. Значит, регистратор различает уровни, отличающиеся между собою на 5В: 1024 ≈ 5мВ. Еще одним важным параметром регистратора, кроме разрядности АЦП, является количество измерений (выборок, которые производит АЦП в единицу времени (за 1 сек). Мой регистратор может за 1 сек делать до 15 тыс. измерений. Поскольку, прибор программируемый, то количество выборок задается в программе. К примеру, для измерения постоянного напряжения, не обязательно задавать максимальное количество выборок. Если же идет измерение переменной величины, то количество выборок существенно влияет на точность построения графиков измеряемых величин. Чем больше количество измерений, которое производит регистратор в секунду, тем с большей точностью будут оцифрованы измеряемые величины и более точными будут построенные графики. Измеряемую величину регистратор сравнивает с образцовым напряжением. В качестве образцового источника можно использовать внешние элементы, которые, чем выше их класс, тем дороже ценятся. Фирма АТМЕL предоставляет дополнительные услуги, встраивая в корпус микроконтроллера источник опорного напряжения (ИОН). Пользователь, программируя МК, сам определяет, какой опорный источник он будет использовать: внешний или внутренний. Меняя программные параметры, можно изменять время работы устройства, время включения и выключения прибора. Снимаемые показания можно непосредственно выводить в виде графика на экран монитора, либо сохранять в файле, а затем обрабатывать в любое удобное время. Регистратор позволяет делать либо одиночные (единичные) измерения, либо длительное (не ограниченное во времени) снятие измеряемых параметров. Для связи с компьютером в микроконтроллере имеется несколько различных видов связи. На этапе, когда устройство только создавалось, отлаживалась схема, проверялась программа, уточнялись ее различные варианты, для связи с компьютером вполне подходил хорошо проверенный, надежно работающий и неплохо освоенный на уровне радиолюбителей СОМ порт – последовательный интерфейс ПК, работающий (в том числе) и по стандарту RS 232. Для работы с одним микроконтроллером скорости передачи по этому каналу вполне хватало для того, чтобы регистратор мог работать и при низких, и при высоких скоростях снятия измеряемых параметров. Но мой регистратор будет иметь четыре независимых канала и этот канал (RS 232) связи просто физически не сможет передавать всю информацию, если четыре канала будут вести измерения одновременно и на предельной скорости замеров. Скорость измерения уменьшится в каждом канале в четыре раза. Чтобы справиться с этим препятствием, я решил для связи с компьютером применить экзотический (пока еще) для радиолюбителей USB порт. Это тоже последовательный интерфейс, но скорость передачи информации по нему во много раз выше. Конечной же целью будет использование для записи информации флеш-памяти. Вот некоторые сравнительные характеристики: регистратор «Рекон» производит до 20 тысяч выборок (измерений) в секунду; мой регистратор – до 15 тысяч. «Рекон» производит окончательную запись параметров на гибкий магнитный диск; мой регистратор будет сохранять данные на внешнюю флеш-память (возможность многократной перезаписи, гораздо больше емкость памяти при подключении флешек с емкостью, например, 4 Gb). По весу и габаритам мой регистратор имеет неоспоримые преимущества – он в несколько раз меньше и легче. «Рекон» имеет около двадцати равнозначных каналов для измерений, мой прибор четыре, но для нормальных лабораторных исследований четырех каналов вполне достаточно. «Рекон» имеет небольшой жидкокристаллический экран, но качество графиков на нем очень слабое и считать это серьезным преимуществом не стоит. То, что мой прибор будет работать от аккумулятора – это серьезное преимущество. Во-первых, нет сетевых паразитных наводок. Во-вторых, прибор не «привязан» к питанию, и может использоваться в полевых условиях. Запаса питания от аккумулятора ему хватает не на один час работы. В настоящее время работа над созданием прибора не завершена, продолжается его усовершенствование. |
Рисунок - Анимированная схема функционирования цифрового регистратора
|