Autor: Danko Milosevic dipl.ing

INTELIGENTNI MERAČI TEMPERATURE I PRITISKA FIRME "MERA"

Inteligencija procesnih mernih uređaja u modernoj mernoj tehnici postaje standard. Inteligentni uređaji sve više se primenjuju u industriji i ostalim oblastima (medicina, poljoprivreda itd.) gde su merenja presudan faktor kvalitetnog rada.

Smatrajuci da je pravo vreme za doprinos u ovoj oblasti, uzdajuci se u sopstvene snage, ulažuci sredstva, firma ,,MERA,, je poslednju godinu intenzivno radila na razvoju inteligentnog transmitera. Rezultati su pred vama.

REZIME

Anketirajuci kolege iz MRU službi iz razlicitih grana industrije, a imajuci stalno na umu da cena mora da bude što pristupacnija, formirali smo kriterijume koje ovakav uredaj treba da zadovolji, da bi mogao da se aplicira u što veci broj industrijskih postrojenja:

1. Klasa tacnosti-0,25%
2. Pouzdanost- duži vremenski period bezotkaznog rada (12-18meseci) uz uslov da klasa tacnosti ne odstupi više od 50% od prvobitno deklarisane.
3. Cena-do 30% niža od slicnih raspoloživih uredaja
4. Modularnost-jednostavna nadgradnja osnovne verzije uredaja sa lokalnim displejem, programskom tastaturom, signalizatorom-regulatorom. Jednostavna softverska nadgradnja osnovnih funkcija uredaja.
5. Jednostavnost programiranja parametara uredaja. Minimizacija sistemskog softvera i hardvera -mogucnost lokalnog i daljinskog programiranja.
6. Jednostavnost fizicke manipulacije uredajem. Zaštita od energetskih uticaja-prosta montaža i elektricno povezivanje

Razvijeni transmiter, MIT2000, uklopljen je u gornje kriterijume na maksimalni moguci nacin.. Sledi detaljni opis elemenata i funkcionisanja uredaja.

OPIS UREÐAJA

1. HARDVERSKA KONFIGURACIJA

Uredaj se sastoji od sledecih podsklopova (dati su na slici br.1-BLOK ŠEMA):

1.1 Merni senzor
1.2 Bazni modul
1.3 Modul digitalne indikacije i programiranja
1.4 Signalno-regulacioni modul
1.5 Kucište
1.6 Merna celija-uložak

1.1. Merni senzor - pritisak (dif. pritisak)
Za ovo merenje upotrebljava se poluprovodnicki mostni senzor zaliven u prokronsko kucište i prokronskom membranom i uljnom ispunom odvojen od procesa. Koriste se senzori sa ukupnom mernom greškom koja ne prelazi 0,1%. Napajanje senzora je strujno (1.7mA). Moguci merni opsezi su: -1bar do 1000bar. U bliskoj perspektivi: do 4000bar.

1.1. Merni senzor - temperatura
Za merenje temperature koristimo Pt100, Pt500, Pt1000 termootporne senzore. Oblici i dimenzije prilagodeni su konkretnom merenju. Ukupna merna greška ne prelazi 0,1%. Napajanje senzora je strujno (0.8mA). Moguci merni opsezi: -50 do 350°C., sa isdvojenom elektronikom: -50 do 600°C. U bliskoj perspektivi: -50 do 1800°C.

1.2. Bazni modul
Sastoji se od sledecih podsklopova realizovanih na zajednickoj elektronskoj plocici:

1.2.1. Merna analogno-digitalna elektronika 
Ovo je osnovni ulazni sklop cija greška direktno utice na grešku uredaja. Za njegovu izradu biraju se vrlo kvalitetne komponente. Npr, strujni generator za senzor realizovan je pomocu precizne naponske reference, LT1027 (REF02) i generiše struju od 1.7mA sa greškom manjom od 0.5mA ili 0.8mA sa greškom manjom od 0.3mA. Negativna referenca za senzor takode je realizovana pomocu LT1027 (REF02).

Merna pojacavacka elektronika realizovana je pomocu niskošumnog OP NE5532 (preporuceni za mernu tehniku i profesionalne uredaje).

Kao A/D konvertor odabran je 16-bitni AD7715 serijskog tipa koji komunicira sa mikroprocesorom preko SPI (serial port interface) veze.

1.2.2. Mikroprocesorska elektronika
Srce sistema je ATMEL RISC mikrokontroler, serije 90S8515. Preko SPI povezan je sa periferijom tj. A/D i D/A konvertorima i drajverom za LED displej. Preko I/O portova povezan je sa tastaturom za lokalno programiranje, signalnim LED diodama i signalnim modulom (elektronikom). Preko UART-a ostvarena je komunikacija sa nadzornim racunarom.

1.2.3. Komunikacioni modul
Komunikacija sa nadredenim nivoom ostvaruje se pomocu hardverskog UART-a u ATMEL procesoru. Od hardvera tu su još i MAX232 i MAX485 kolo. Preko RS 232 porta racunar komunicira sa jednim uredajem, dok RS485 služi za mrežno povezivanje više uredaja na nadzorni nivo.

1.2.4. Napojni modul
Modul je realizovan sa dva DC-DC pretvaraca i to: 24V/+12V/-12V; 80mA za mernu elektroniku i 24V/5V; 0.6A za lokalni displej i programsku tastaturu.

1.2.5. Izlazna digitalno-analogna elektronika
Osnova sklopa je 16-bitni D/A konvertor, tip AD421, napajan sa +24Vdc, povezan sa procesorom preko SPI. Radni režim konvertora ima dva moda: normalni, za izlaz od 4 do 20mA i alarmni, za izlaz od 3.5 do 34mA.

1.3. Modul digitalne indikacije i programiranja
Sastoji se od drajvera, tip MAX7219, za cetvorocifarski LED displej, od samog LED displeja, od dve signalne LED diode i tastature za lokalno programiranje. 

1.4. Signalno-regulacioni modul
Izdvojen je na posebnoj plocici i preko dva I/O porta optokaplerima povezan sa mikrokontrolerom. Sastoji se od sledecih (izbornih) parova komponenti:
-tranzistori ,,open colector,,-za 24Vdc;100mA
-trijaci -za 220V; 15A
-relejni kontakti- za 220V; 1A

1.5. Merna celija-uložak
Pritisak-Izradena je od kvalitetnog celika, standardno je to C4571-4. Služi za optimalno smeštanje senzora pritiska i pomocnih mehanickih elemenata, kao i za jednostavno procesno prikljucenje uredaja.

Temperatura-Merni uložak pravi se od vatrootpornih materijala, obicno celika. Služi za kvalitetno ugradivanje senzora temperature i izolovanje žicanih produžetaka senzora, kao i za jednostavno prikljucenje u proces.

1.6. Kucište
Služi za kvalitetan smeštaj elektronskih modula (do 3 kom.) uredaja i sigurno i kvalitetno elektricno povezivanje. Proizvodi se od livenog nerdjuceg celika ili durala (legura Al). Spolja je plastificirano u sivo plavoj boji, a unutrašnjost mu je zašticena od EMI smetnji specijalnim metalnim premazom.

Slika 1. Blok šema

2. FUNKCIONALNI OPIS UREÐAJA

Inteligentni transmiter, MIT2000, funkcioniše na sledeci nacin: Kod merenja pritiska procesna velicina uzrokuje promenu otpornosti u senzorskom mostu koji se napaja konstantnom strujom (1.7mA) duž jedne dijagonale. Promena nivoa milivoltnog signala merena na drugoj dijagonali linearno je proporcionalna promeni procesnog pritiska. Milivoltni signal vodimo na diferencijalni ulaz merne elektronike koja pojacava signal i pretvara ga u 0-5Vdc, za puni merni opseg uredaja. Kad je temperatura u pitanju, dva termootporna senzora predstavljaju suprotne dijagonale mernog mosta. Dalje je postupak isti kao kod pritiska, osim napajanja, koje je ovde 0.8mA.

Ovako obraden i pojacan, merni signal (0-5Vdc) vodi se na A/D konvertor koji, kao ,,slave,, komunicira sa ATMEL procesorom. Procesor obraduje digitalnu informaciju i generiše upravljacke kodove za drajver lokalnog LED displeja, na kome se prikazuje merena vrednost procesne velicine. Takode, procesor prosleduje informaciju o vrednosti mernog signala na ,,slave,, D/A konvertor, na cijem se izlazu ista pretvara u strujni izlaz od 4 do 20mA.

Procesor preko dva I/O porta upravlja signalno-regulacionim modulom, tj njegovim prekidackim izlazima. Zavisno od upravljackog softvera ovaj modul radi kao signalizator u dve tacke, dvopoložajni regulator ili tropoložajni (PID) regulator.

Istovremeno, procesor upravlja radom dveju signalnih LED dioda (zelena i crvena), po istoj logici kao i sa prekidackim izlazima signalnog modula, tj. ove diode svetlosno informišu o stanju (otvoreno/zatvoreno) prekidackih izlaza.

Tri tastera ispod displeja i dioda, povezana su sa procesorom preko I/O portova. Služe za lokalno programiranje rada uredaja..

Komunikacija procesora, tj. citavog uredaja, sa nadzornim nivoom ostvaruje se preko hardverskog UART-a (Univerzalni asinhroni prenos i ocitavanje) iz samog procesora. Realizovane su dve varijante (trožicne) komunikacije:

1. Komunikacija samo jednog transmitera sa nadzornim nivoom (obicno PC), u kom slucaju na kolo MAX232 dolaze Rx i Tx signali, a ista se obavlja preko RS232 porta.Za ovu komunikaciju razvijen je namenski softver za akviziciju mernog signala i daljinsko programiranje uredaja.
2. Komunikacija više uredaja sa nadredenim nivoom. Pri tome se aktivira kolo MAX485 koje ima još jedan komandni pin, kojim odredujemo kada šaljemo, a kada primamo podatke. Za ovu vrstu komunikacije koristi se MODBUS protokol, korišcenjem ASCII moda slanja podataka i RTU (Remote Terminal Unit) provere greške.

3. PROGRAMIRANJE RADA UREÐAJA

MIT2000 realizovan je sa maksimalno pojednostavljenim nacinima programiranja radnih parametara. Osnovna podela je na daljinsko i lokalno programiranje, sa tim što u oba slucaja programiramo sledece parametre:

1-2. Opseg i nulu lokalne indikacije merene velicine
3. Položaj decimalne tacke na displeju
4. Vreme ,,semplovanja,,
5-6. Opseg i nulu miliamperskog izlaza (4-20mA)
7-8. Granice okidanja prvog kanala signalnog modula 
9-10. Granice okidanja drugog kanala signalnog modula (histerezis)
11. Adresu uredaja- koristi se ako je uredaj predviden za rad u mreži
12. Šifru (kljuc) za pristup programskom režimu rada uredaja

Napomena 1. Mogucnost programiranja nule i opsega lokalnog pokazivanja data je samo kod demonstracionih uzoraka uredaja. Normalno, maksimalna nula i opseg fiksiraju se za konkretan uredaj.
Napomena 2. Standardno, uredaj je isprogramiran i nalazi se u tzv mernom režimu rada i prikazuje merenu velicinu na displeju. Ne izlazeci iz ovog režima možemo ocitati nulu i opseg uredaja, pritiskom na tastere ,,gore,, i ,,dole,,. posle cega se na displeju, u trajanju od oko sekundu, pojave ove velicine. Ostale izlazno-upravljacke velicine uredaja za to vreme se ne prekidaju.

3.1. Lokalno programiranje parametara uredaja
Program je napisan u AVR C programskom jeziku, a zatim i u asembleru, kao i svo ostalo programi-ranje uredaja. Realizuje se preko tastature koja se nalazi na prednjoj maski uredaja. Programiranje se odvija u dva nivoa. Na prvom nivou pristupa se rednom broju programibilnog parametra uredaja. Na drugom nivou se podešava njegova vrednost. Upisivanjem novopostavljene vrednosti parametra u EEPROM uredaja i povratkom u osnovni merni mod rada uredaja, obavljene su željene izmene parametara.

3.2 Daljinsko programiranje parametara preko PC-a i akvizicija podataka
Komunikacija sa PC-jem ostvaruje se preko serijskog COM porta racunara, tj preko RS232 interfejsa na uredaju. Program za komunikaciju napisan je u VISUAL BASICU. Startovanjem programa na monitoru se pojavi korisnicki interfejs preko koga komuniciramo sa uredajem, prvo odredivši port (COM1 ili COM2) za komunikaciju. Možemo zadavati sve parametre uredaja, snimati ih u EEPROM procesora, išcitavati parametre i merenu vrednost iz uredaja. Brzinu išcitavanja programski odredimo na potrebnu vrednost od 1sec. do 10min.

Naspomena 1. U slucju da je došlo do prekida u komunikaciji, na racunaru se pojavljuje poruka o grešci.
Napomena 2. U slucaju da se istovremeno obavlja i lokalno programiranje, na monitoru se pojavi poruka o tome i zabrani se racunarski pristup uredaju.

Inteligentni transmiter, MIT2000

4. ANALIZA REALIZACIJE POSTAVLJENIH KRITERIJUMA

4.1. Klasa tacnosti - Ukupna greška senzora koji se koriste u ovom uredaju je manja od 0.1%. A/D i D/A konvertori i mikroprocesor ne bismeli da uzrokuju grešku vecu od 0.1% , što znaci da je realna greška merenja manja od 0.25%.

4.2. Pouzdanost - Uredaji su ugradeni na probni rad na odredenim industrijskim objektima pocev od 01.09.2000.god. i za sada se dobro drže.

4.3. Cena - Kalkulisano na bazi od deset uredaja, ne uzimajuci u obzir razvojne i promotivne troškove, došli smo do neto prodajne cene od cca 800 (osamsto) DEM za osnovnu verziju industrijskog meraca pritiska, MIT2000PR. Za MIT2000TR ova cena je još niža.

4.4. Modularnost - MIT2000 je u punoj konfiguraciji znatno više od inteligentnog transmitera.

Osnovna funkcija je merenje, obrada i pretvaranje mernog signala u racunarski i/ili mA signal
• proširenje 1. - lokalno digitalno pokazivanje 
• proširenje 2. - lokalnna svetlosna signalizacija vrednosti merene velicine u dve tacke
• proširenje 3. - lokalno programiranje parametara
• proširenje 4. - hardverska signalizacija (tranzistor, trijak, rele) vrednosti merene velicine u dve tacke
• proširenje 5. - softverski realizovan dvopoložajni 
regulator - tropolžajni (PID) regulator
• proširenje 6. - program za daljinsko programiranje i akviziciju podataka

Gornja proširenja realizuju se kroz dva dodatna modula-elektronske plocice, koje se relativno jednostavno dograduju u kucište, kao i kroz dodatni upravljcki softver.

4.5. Jednostavnost i redundantnost programiranja parametara.
Minimizacija sistemskog softvera i hardvera-Uredaj je moguce lokalno programirati, pomocu tastature na samom uredaju, a takode i daljinski, preko PC-a. Program za kompletan uredaj prvo je napisan u C-u, a ztim preveden u asembler zbog minimizacije programskog koda. Samim tim bilo je moguce odabrati prostiji procesor i mogucnost skrivenih hardverskih i softverskih grešaka svesti na minimum.

4.6. Jednostavna fizicka manipulacija uredajem. Zaštita od energetskih uticaja.
U osnovnoj verziji dimenzije kucišta uredaja MIT 2000 su Ø80 × 60mm, a dimenzije merne celije kod MIT 2000PR su Ø40 × 80mm. Težina uredaja MIT2000PR je cca 600gr., što ne predstavlja znacajnu težinu pri montaži - demontaži. Unutar kablovske uvodnice uredaja smeštene su i zalivene kleme za elektricno povezivanje, tako da kablovi direktno ne ulaze u samo kucište. Pristup klemama ostvaren je skidanjem dodatnog poklopca sa gornjeg dela uvodnice, omogucavajuci kvalirtetno i prosto pritezanje kablovskih žila u klemama. U slucaju proširenja uredaja signalnom elektronikom, ova se nadgraduje komplet sa proširenjem kucišta po ,,sendvic,, principu, tako da su energetski naponi i struje koji dospevaju na prekidacke elemente signalne elektronike fizicki (metalnim zidom) izdvojeni od elektronskih modula uredaja, a veze same signalne plocice sa procesorom galvanski su odvojene optokaplerima, sprecavajuci direktnu elektricnu vezu.

ZAKLJUCAK

C o p y r i g h t  1998-2002  mikroElektronika. A l l  R i g h t s   R e s e r v e d . Za sva pitanja obratite se redakciji.