Курсовая работа - Контроль температуры технологического процесса бурения

Подождите немного. Документ загружается.

Введение

Автоматизация технологических процессов является одним из

решающих факторов повышения производительности и улучшения

производственного процесса. Все существующие и строящиеся

промышленные объекты в той или иной степени оснащаются

средствами автоматизации.

Автоматика, отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы

построения систем управления, действующих без непосредственного участия

человека; в узком смысле - совокупность методов и технических средств,

исключающих участие человека при выполнении операций конкретного процесса.

Автоматическое управление в технике, совокупность действий,

направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого

объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью

управления. Автоматическое управление широко применяется во многих

технических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в

связи с необходимостью переработки большого количества информации в

ограниченное время, для повышения производительности труда, качества и

точности регулирования, освобождения человека от управления системами,

функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для

здоровья. Для осуществления цели управления, с учётом особенностей

управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов

систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта - управляющее

воздействие, вырабатываемое устройством управления (УУ). Совокупность

взаимодействующих между собой управляющего устройства и управляемого

объекта образует систему автоматического управления.

1 Описание решаемой задачи

В данном курсовом проекте описывается технологический процесс бурения и

его автоматизации. Осуществляется контроль температуры системы.

Теоретические исследования в области совершенствования управления

процессом бурения и его оптимизации получили новые возможности

практической реализации с появлением управляющей микропроцессорной

техники и созданием на ее основе систем автоматизированного управления.

Разнообразные образцы систем автоматизированного управления процессом

бурения позволяют управлять процессом бурения в реальном времени по любому

из известных алгоритмов, накапливать и обрабатывать информацию о процессе

бурения, а также диагностировать изменение температуры отдельных узлов и

механизма в целом.

Регулирование и контроль температуры осуществляется с помощью

устройствао сбора и первичной обработки информации о состоянии процесса

бурения, и является неотъемлемой частью автоматизированной системы

управления этим процессом. Задачей настоящего дипломного проекта является

разработка такого устройства. Выбор этой проблемы обуславливается

спецификой специальности АТП.

Автоматизация процесса бурения стала практически возможной лишь с

появлением относительно дешевых и надежных ЭВМ, способных выполнять

функции автоматизированного управления технологическим процессом бурения.

Процесс бурения геологоразведочных скважин характеризуется частыми и

значительными перестройками рабочих режимов. Это связано как с частым

стохастическим изменением свойств разбуриваемых пород, так и с другими

факторами, например, изменением свойств породоразрушающего инструмента в

процессе бурения и очистного агента, удлинением бурильного вала;

специфическими операциями, обусловленными постановкой инструмента на

забоя и его приработкой, подъемом керна, бурильных труб и др.

Процесс бурения, особенно глубоких скважин, протекающий в условиях

значительной неопределенности, подвергается сильным и непредсказуемым

возмущающим воздействиям, основа которых -как горно-геологические, так и

технико-технологические факторы.

Процесс бурения является не только производственным процессом с точки

зрения потребления материальных и трудовых ресурсов и производства продукта

труда в виде сформированного (пробуренного) ствола скважины и полученного

керна (за что, собственно, и производится оплата буровой бригаде), но также и

научно-исследовательским процессом, если иметь в виду основную цель

производства буровых работ - получение информации о строении земных недр.

Сложные с технологической или эксплуатационной точки зрения процессы

могут быть объектом автоматизации управления с применением ЭВМ.

Технологическая сложность процесса бурения обусловлена большим количеством

технологических переменных, значения которых в той или иной степени

определяют эффективность этого процесса, и множеством взаимодействий между

ними, что требует приложения не всегда очевидных управляющих воздействий.

Автоматизированное управление процессом бурения позволяет успешно

изменять практически одновременно два-три параметра с недоступной человеку

частотой. Эти косвенные переменные рассчитываются управляющей ЭВМ,

использующей информацию об основных параметрах процесса бурения, которые

измеряются серийной контрольно-измерительной аппаратурой.

Система автоматизированного управления обеспечивает повышение

качества управления благодаря своей особенности быстро реагировать на

возмущения и вырабатывать управляющие воздействия, в которых учитывается

взаимное влияние параметров и показателей процесса.

С помощью микропроцессора координируется функционирование

элементов гидроуправления, выполняются расчеты различных операций и

контролируется их соответствие предварительно принятым заданиям.

микропроцессор синхронизирует последовательность срабатывания гидропатрона

вращателя и трубодержателя, перемещение вверх и вниз и контролирует

интервалы времени между прохождением последовательных сигналов.

Для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые

разработана система автоматизированной оптимизации управления

технологическим процессом бурения САОПБ-1. Система предназначена для

автоматического управления технологическим процессом бурения скважин

алмазным породоразрушающим инструментом по заданной оптимальной углубке

коронки за оборот или заданной механической скорости и может применяться на

всех буровых станках с гидравлической системой подачи, используемых при

алмазном бурении.

Практически система представляет собой аналоговый регулятор и

отличается от известных высокой надежностью и эффективностью, которые

зависят от правильного выбора в каждом конкретном случае углубки коронки за

оборот, задаваемой бурильщиком (технологом). При несоответствии заданной

углубки (скорости бурения) условиям бурения, т.е. в случае превышения заданной

скорости бурения, оптимальной для данных условий, срабатывает защита по

потребляемой мощности или давлению бурового раствора в нагнетательной

линии промывочного насоса и происходит автоматический “подрыв” инстру-

мента. Частое повторение описанной ситуации служит сигналом о необходимости

уменьшения заданной углубки за оборот.

Оптимальные величины задаваемой углубки за оборот для каждой системы

(горная порода-коронка) выбирают по специальной, ранее разработанной,

диаграмме либо определяют опытным путем по специальной методике в процессе

бурения.

Методы опроса, первичной обработки и хранения информации о

параметрах и показателях процесса бурения реализуются программным модулем

САУ технологическим процессом.

2 Составление функциональной микросхемы микропроцессорного

устройства

RG W

RG B

RG D

RG H

RG Z

RG C

RG E

RG L

SYNC RESET

DBIN

WR READY

WAI T

I NTERRUPT

I NTE

HOLD

HLDA

Схема

десятичной

коррекции

признаков

Дешифратор

команд

вр.

хр.

Схема управления

адресом

Рисунок 1. Устройство микропроцессора.

Микропроцессор (рисунок 1) обычно представляет собой отдельную

микросхему или же часть микросхемы (в случае микроконтроллера). В прежние

годы процессор иногда выполнялся на комплектах из нескольких микросхем, но

сейчас от такого подхода уже практически отказались. Микросхема процессора

обязательно имеет выводы трех шин: шины адреса, шины данных и шины

управления. Иногда некоторые сигналы и шины мультиплексируются, чтобы

уменьшить количество выводов микросхемы процессора.

Важнейшие характеристики процессора — это количество разрядов его

шины данных, количество разрядов его шины адреса и количество управляющих

сигналов в шине управления. Разрядность шины данных определяет скорость

работы системы. Разрядность шины адреса определяет допустимую сложность

системы. Количество линий управления определяет разнообразие режимов

обмена и эффективность обмена процессора с другими устройствами системы.

Арифметико-логическое устройство (или АЛУ, ALU) предназначено для

обработки информации в соответствии с полученной процессором командой.

Примерами обработки могут служить логические операции (типа логического

«И», «ИЛИ», «Исключающего ИЛИ» и т.д.) то есть побитные операции над

операндами, а также арифметические операции (типа сложения, вычитания,

умножения, деления и т.д.). Над какими кодами производится операция, куда

помещается ее результат — определяется выполняемой командой. Если команда

сводится всего лишь к пересылке данных без их обработки, то АЛУ не участвует

в ее выполнении.

Быстродействие АЛУ во многом определяет производительность

процессора. Причем важна не только частота тактового сигнала, которым

тактируется АЛУ, но и количество тактов, необходимое для выполнения той или

иной команды. Для повышения производительности разработчики стремятся

довести время выполнения команды до одного такта, а также обеспечить работу

АЛУ на возможно более высокой частоте. Один из путей решения этой задачи

состоит в уменьшении количества выполняемых АЛУ команд, создание

процессоров с уменьшенным набором команд (так называемые RISC-

процессоры). Другой путь повышения производительности процессора —

использование нескольких параллельно работающих АЛУ.

Регистры процессора представляют собой по сути ячейки очень быстрой

памяти и служат для временного хранения различных кодов: данных, адресов,

служебных кодов. Операции с этими кодами выполняются предельно быстро,

поэтому, в общем случае, чем больше внутренних регистров, тем лучше. Кроме

того, на быстродействие процессора сильно влияет разрядность регистров.

Именно разрядность регистров и АЛУ называется внутренней разрядностью

процессора, которая может не совпадать с внешней разрядностью.

Регистр признаков (регистр состояния) занимает особое место, хотя он

также является внутренним регистром процессора. Содержащаяся в нем

информация — это не данные, не адрес, а слово состояния процессора (ССП,

PSW — Processor Status Word). Каждый бит этого слова (флаг) содержит

информацию о результате предыдущей команды. Например, есть бит нулевого

результата, который устанавливается в том случае, когда результат выполнения

предыдущей команды — нуль, и очищается в том случае, когда результат

выполнения команды отличен от нуля. Эти биты (флаги) используются

командами условных переходов, например, командой перехода в случае

нулевого результата. В этом же регистре иногда содержатся флаги управления,

определяющие режим выполнения некоторых команд.

В ходе работы процессора схема выборки команд выбирает

последовательно команды из памяти, затем эти команды выполняются, причем в

случае необходимости обработки данных подключается АЛУ. На входы АЛУ

могут подаваться обрабатываемые данные из памяти или из внутренних

регистров. Во внутренних регистрах хранятся также коды адресов

обрабатываемых данных, расположенных в памяти. Результат обработки в АЛУ

изменяет состояние регистра признаков и записывается во внутренний регистр

или в память (как источник, так и приемник данных указывается в составе кода

команды). При необходимости информация может переписываться из памяти

(или из устройства ввода/вывода) во внутренний регистр или из внутреннего

регистра в память (или в устройство ввода/вывода).

Все микросхемы, входящие в состав комплекта КР580, выполнены по

nМДП технологии, однако входные и выходные сигналы соответствуют уровням

логических схем ТТЛ-технологии. Это упрощает переходы между микросхемами

серии КР580 и микросхемами ТТЛ-технологии любых серий. Следовательно, не

возникает трудностей, если при построении микропроцессорной системы

используются также некоторые микросхемы ТТЛ-технологии, имеющие широкое

применение.

Микросхемы комплекта КР580 характеризуются следующими параметрами:

 температурный диапазон: -10...+70 градусов по Цельсию;

 потребляемая мощность: 0,7 Вт;

 напряжение питания: КР580ВМ80А +5В, +12В, -5В, остальные БИС

+5В;

 допустимое отклонение напряжения: +5%, -5%;

 нагрузочная способность каждого элемента БИС - один вход элемента

ТТЛ;

 время спада и нарастания входных напряжений на выводах БИС

30нс.

Основным элементом этого комплекта является БИС микропроцессора -

КР580ВМ80А. Основные характеристики этого микропроцессора следующие:

1. Разрядность - 8 бит (1 Байт).

2. Максимальная тактовая частота f=2,5МГц, что соответствует

быстродействию - 625000 опер./сек.

3. Объём адресуемой памяти V=65536 байт=64 килобайт. Разрядность

шины адреса N

Ш.А.

=16 бит.

4. Технология изготовления - nМОП. БИС микропроцессора

выпускается в прямоугольном корпусе с 40 выводами с двухсторонним

расположением выводов (типа DIP). На кристалле расположено 5000

транзисторов.

5. Система команд - 78 базовых команд или 244 кода.

6. Число подключаемых УВВ - 256.

7. Потребляемая мощность Р

ПОТР

=750мВт.

8. Уровни сигналов входов и выходов микропроцессора (за

исключением входов тактовой частоты) соответствуют стандартным ТТЛ

уровням.

9. Выходы микропроцессора являются маломощными и могут быть

нагружены только одним стандартным ТТЛ входом.

10. Шина данных и шина управления совмещены. Этот микропроцессор

не обладает готовой шиной управления, эта шина организуется с помощью

дополнительной внешней схемы, называемой системным контроллером, которая

использует байт состояния и управляющие сигналы.

В центральную шину входят шина адреса, шина данных и шина управления.

Шина адреса — 16-разрядная, направленная от микропроцессора шина,

которая выполняет 2 функции:

 передачу адреса ячейки памяти при обращении к памяти,

максимально возможный объём которой составляет 2

=65536 байт.

 передачу адреса внешнего устройства при выполнении команд IN и

OUT. В этом случае 8-разрядный УВВ появляется на выводах A0 - A7 и

дублируется на выводах A8 - A15. Фактически для передачи адреса УВВ

используется только 8 разрядов, поэтому можно адресовать 256 различных

внешних УВВ.

Шина данных — 8-разрядная шина, которая выполняет 2 функции:

 передачу управляющего слова

 обмен данными между регистрами микропроцессора и блоками МПС.

Шина управления состоит из 4 линий. По этим линиям передаются сигналы:

MEMW — запись в память, MEMR — чтение памяти, INIT — сброс или

начальная установка, CLK — последовательность импульсов, снимаемая с выхода

Ф1 тактового генератора. Сигналы MEMW и MEMR указывают также на чтение

или запись реистров периферийных БИС.

Сигналы управления шиной данных.

DBIN Выходной сигнал “Прием”. Если DBIN=1, то шина данных

настроена на прием данных в микропроцессор из памяти или

УВВ. Если DBIN=0, то шина данных настроена на вывод

информации из микропроцессора.

WR Выходной сигнал “Выдача данных”. Если WR=0, то

микропроцессор зафиксировал на шине данных 8-разрядный код,

который должен быть воспринят памятью или УВВ.

Сигналы управления вводом-выводом

READY Входной сигнал “Готовность” от УВВ или памяти. Если

READY=1, то УВВ или память готовы к обмену данными с

микропроцессором. Если READY=1, то УВВ или память не

готовы к обмену данными с микропроцессором . В этом случае

микропроцессор входит в режим “Ожидание”.

WAIT Выходной сигнал “Ожидание”. Если WAIT=1, то микропроцессор

находится в режиме “Ожидание”.

INT Входной сигнал “Запрос прерывания” от УВВ. Если INT=1,

следовательно, одному из УВВ требуется обслуживание.

INTE Выходной сигнал “Разрешения прерывания”. Этот сигнал

информирует УВВ о возможности или невозможности

обслуживания микропроцессором запросов на прерывание. Если

INTE=1, то прерывания разрешены. Если INTE=0, то прерывания

запрещены.

HOLD Входной сигнал “Запрос захвата шин” от УВВ. Если HOLD=1,

значит, одно из УВВ требует обмена по прямому доступу к

памяти.

HLDA Выходной сигнал “Подтверждение захвата шин”. Если HLDA=1,

то микропроцессор отключился от системных шин и “отдал” их в

распоряжение УВВ и памяти

Сигналы синхронизации.

Ф1,Ф2 Входные сигналы от тактового генератора.

SYNC Выходной сигнал “Синхронизация”. Если SYNC=1, то на шину

данных микропроцессор выставил восемь управляющих

сигналов.

RESET Входной сигнал “Сброс”. Сигнал начальной установки

микропроцессора. Если RESET=1 в течение 3 - 4 периодов

тактовой частоты, то микропроцессор прекращает свою работу,

обнуляет счетчик команд и бездействует. Как только RESET=0,

микропроцессор начинает выполнять команду, записанную по

адресу 0000Н.

3 Составление карты памяти, разработка дешифратора адреса

Дешифратор

адреса

Шина данных

Шина адреса

Центральный

процессор

Процессор

ввода-вывода

ОЗУ

ПЗУ

МП

CS OE W

Рисунок 2. Функциональная схема.

На микропроцессоре устройство, преобразовывающее данные,

вырабатывающие сигналы адреса и данных, управления является ЦП. Для поиска

данных микропроцессорная система содержит дешифратор адреса. Его задачей

является определение, с каким из внешних устройств собирается общаться

микропроцессор. Для этого к внешним устройствам приписываются

определенные коды, все сочетания 0 и 1, шина адреса образует поле адресации. К

внешним устройствам отводят определенное поле адресации. Это распределение

называют картой памяти.

Микропроцессор содержит ПЗУ - 8 Кбайт (1 микросхема по 8 Кбайт

каждая), ОЗУ - 4 Кбайт (3 микросхемы по 2 Кбайт каждая), с начальным адресом

3000 и процессор ввода-вывода 8000. Составить карту памяти и дешифратор

адреса.