|
Реферат: Разработка программы управления промышленным роботом на базе контроллера SIMATIC S5 фирмы SIEMENS (Цифровые устройства)
Министерство образования Украины
Одесский государственный политехнический университет
Кафедра автоматики и управления в технических системах
Курсовая работа
по дисциплине "Локальные системы автоматики"
"Разработка программы управления промышленным роботом на базе
контроллера SIMATIC S5 фирмы SIEMENS"
Выполнил: Лозанов В.В
Группа: ЗАТ-961
Курс: 5
Шифр: 960277
Принял: Денисенко Т.А
Оценка:______________
2000
Содержание
Министерство образования Украины 1
1. Введение 3
2. Постановка задачи 4
3.Выбор программируемого контроллера 7
3.1 Выбор технических средств 7
3.2 Архитектура контроллера S5-100U 8
3.3 Технические характеристики контроллера S5-100U 8
3.4 Выбор датчиков, определяющих длину детали 9
4. Разработка и написание программы управления 11
4.1. Разработка структуры системы управления 11
4.2 Функциональная блок-схема алгоритма управления промышленным
роботом 12
4.3 Присвоение адресов 13
4.4 Алгоритмическое представление программы 14
4.5 Представление программы управления роботом-манипулятором в релейно-
контактном виде 20
4.6 Представление программы управления роботом-манипулятором в виде
функциональной схемы 24
4.7 Представление программы управления роботом-манипулятором в виде
последовательности команд 28
5. Список литературы 32
1. Введение
Цель данной курсовой работы – разработать программу управления
манипулятором, основной функцией которого является транспортировка деталей
от конвейера к таре.
Манипулятор – это управляемое устройство или робот для выполнения
двигательных функций, аналогичным функциям человеческой руки при
перемещении объектов в пространстве, оснащенное рабочим органом.
Манипулятор состоит из звеньев, соединенных между собой подвижными
кинематическими парами. Последние движутся по определенной программе с
помощью управляемых приводов. В курсовой работе управление приводами будет
осуществляться по сигналам, поступающим с конечных датчиков, которые
фиксируют момент перемещения или поворот в начальное положение и предельное
положение. Для организации каждого из движений в двух направлениях
используется по два исполнительных механизма. В реальной ситуации эту
операцию может осуществлять один реверсивный привод, снабженный для
организации перемещений двумя контактными и бесконтактными пускателями. В
курсовой работе рабочий орган представляет собой схват, который
обеспечивает захват и отпускание объекта за счет двух исполнительных
механизмов (ИМ).
Манипуляционная система промышленных роботов и их двигательные
возможности определяются видом и расположением кинематических пар. Выбор
конкретного варианта кинематической схемы манипуляционной системы
определяется конкретным условием и требованием. Эта схема должна
обеспечивать достаточную степень универсальности функционирования робота с
учетом операций, которые ему предстоит выполнять во внешней среде. Для
выполнения транспортных операций без ориентации объекта достаточно
сочетания трех кинематических пар.
Система управления манипулятором представляет собой контроллер Simatic
S5 с программой пользователя. На первом этапе проектирования следует
сопоставить входные и выходные величины, которые необходимы для управления
манипулятором. После составления общей схемы и присваивания адресов
соответствующим входам и выходам, составляют алгоритмическое представление
программы, а затем переходят к непосредственному ее написанию.
2. Постановка задачи
Манипулятор состоит из четырех кинематических пар (КП): вращательная
S1, два изгиба S2 и S3, и перемещение S4. Манипулятор снабжен рабочим
органом, представляющим собой схват. По конвейеру идет поток деталей двух
видов. Задача манипулятора – транспортировка деталей 1 и 2 типа в
соответствующие им тары. Для управления манипулятором по заданной
траектории каждая кинематическая пара снабжена двумя исполнительными
механизмами ИМ (для движения в двух направлениях) и двумя датчиками
(конечными выключателями КВ начального и предельного положения).
Следует написать программу управления манипулятором на языке STEP 5 и
предусмотреть следующее:
1.По кнопке "ПУСК" схват из начального положения перемещается по
заданной траектории к конвейеру (точка А на траектории), где он:
1. Задерживается на время [pic]сек.
2. Захватывает деталь, и в зависимости от ее типа транспортирует ее в
соответствующую тару (точки Е и Д на траектории). Для определения
типа деталей на конвейере установлены фотодатчики. Из-за различной
длины деталь 1 типа перекрывает один фотодатчик, деталь 2 типа –
два фотодатчика.
3. Открывается.
4. Задерживается над тарой на 0,07 сек
5. Перемещается обратно к конвейеру, далее п.п. с 1.1 повторяются.
2.По кнопке "СТОП" манипулятор останавливается.
3.При переполнении тары хотя бы одного типа деталей на контроллер
передается команда соответственно "Сменить тару 1" или "Сменить тару
2", по этой команде манипулятор переходит в начальное состояние (т.е.
срабатывают КВ начального положения всех кинематических пар), и
останавливается. При смене тары оператор с пульта управления передает
команду "Тара 1 сменена" или "Тара 2 сменена", по которой манипулятор
повторяет действия с пункта1.
Управление работой манипулятора осуществляется с операторской панели.
На панели помещены следующие кнопки и индикаторы выходных сигналов:
Рис.1
Манипулятор начинает работу, если нажата кнопка "ПУСК". При этом
последовательно поступают команды на исполнительные механизмы и учитывают
положение КВ. манипулятор перемещается по заданной траектории. При нажатии
оператором кнопки "СТОП" манипулятор останавливается. При переполнении тары
деталей 1 и 2 на панели обслуживания включается индикатор "Сменить тару 1"
или "Сменить тару 2" соответственно, по этому сигналу манипулятор
перемещается в начальное положение и ждет нажатия оператором кнопки "Тара 1
сменена" или "Тара 2 сменена" соответственно.
2.1 Представление кинематической схемы манипулятора
Кинематическая структура рабочих органов манипулятора имеет вид:
Манипулятор состоит из четырех кинематических пар: вращательной S1,
изгибов S2 и S3, перемещения S4 и схвата S5.
При проектировании программы будем использовать данные 7 варианта:
|N вар |Траектор|Нач. |[pic]|[pic],|Кол-во |Кол-во |
| |ия |положение |, сек|сек |деталей 1 |деталей 2 |
|7 |2 |В |0,7 |0,07 |11 |19 |
Соответствующая траектория манипулятора представлена на рис. 3
Рис. 3
Отрезок АВ – в перемещении участвует КП S3 (изгиб)
Отрезок ВС – в перемещении участвует КП S2 (изгиб)
Отрезок CD – в перемещении участвует КП S4 (перемещение)
Отрезок DE – в перемещении участвует КП S1 (вращение)
Любую n-ю КП манипулятора можно перемещать от конвейера к таре с
помощью ИМn-1 и от тары к конвейеру с помощью ИМn-2. Два КВ отвечают
за то, чтобы ИМ выключался, если КП достигла по траектории своего
предельного положения (т.е. сигнал с КВn-2) и включался, если пришел
сигнал, позволяющий начать перемещение и при этом КПn в начальном
положении (т.е. сигнал с КВn-1).
3.Выбор программируемого контроллера
3.1 Выбор технических средств
Программируемый контроллер S5-100U является модульным малым
устройством управления для экономичных решений простых и средних
задач автоматизации.
Программируемый контроллер S5-100U состоит из:
- центрального модуля
- шинных модулей
- периферийных модулей, которые крепятся на шинные модули
- блока питания
- модулей подключения
Центральные модули, шинные модули, блоки питания и модули подключения
крепятся непосредственно на стандартную профильную шину.
Периферийные модули крепятся на стандартную профильную шину через
шинные модули. На четырех стандартных профильных шинах можно
разместить максимально 32 периферийных модуля.
Периферийными модулями являются:
- модуля цифрового ввода-вывода
- модуля аналогового ввода-вывода
- модули подключения датчиков и исполнительных устройств для работы
во взрывоопасных помещениях
- модули предварительной обработки сигналов
- специальные модули внешних таймеров
- модули диагностики для контроля периферийной шины контроллера
- модули имитации для проверки программ
- интеллектуальные модули для быстропротекающих процессов
предварительной обработки
3.2 Архитектура контроллера S5-100U
3.3 Технические характеристики контроллера S5-100U
Стандартная профильная шина
35-мм стандартная профильная шина служит для непосредственного
крепления:
- центральных модулей
- блоков питания
- модулей подключения
- шинных модулей
Шины поставляются длиной от 483мм до 2м
Центральные модули
Необходимы при комплектации контроллера. Состоят из:
- управляющего блока
- внутреннего блока питания, предназначенного также для периферийных
модулей. Максимальный выходной ток 1 А.
- Внутреннее ОЗУ для программ
- Разъем для подключения программатора или устройства обслуживания
- Разъем для блока питания (АС 115/230В, DC 24В)
- Разъемные линии шины для подключения первого шинного модуля
- Отсека буферной батареи для внутреннего ОЗУ для программ
Для моего случая выберем CPU 102 со следующими характеристиками:
|Функции |Двоичные операции, скобочные |
| |операции, запись в память, |
| |вычисления, специальные функции и |
| |т.д. |
|ОЗУ для программ |4 кб |
|Модуль памяти |4 кб |
|Время обработки для 1024 двоичных |7 мс |
|операций | |
|Таймеры 0.01-9990 сек |32 |
|Меркеры |1024, из них 8 реманентных |
|счетчики |32, из них 8 реманентных |
|Адресуемые цифровые входы/выходы |448 |
|Адресуемые аналоговые входы/выходы |16 |
|Конструктивные возможности |До 4 рядов, макс. 32 периферийных |
| |модуля |
|Возможности сопряжения |SINEC L1 |
|программирование |STEP 5 |
Блок питания
Выберем PS 931, имеющий следующие характеристики:
|Входное напряжение |АС 115/230В |
|Выходной ток, при 24 В |2А |
|Разделение по потенциалу |+ |
|Сохранение питания при отключении |20 мс |
|сети | |
|Защита от короткого замыкания |электронная |
|Класс защиты |1 |
3.4 Выбор датчиков, определяющих длину детали
Принцип измерения длины деталей (деталь А длиннее детали В) основан на
следующем принципе:
С одной стороны конвейера помещены два источника оптических излучений,
а с другой стороны конвейера – два приемника этих излучений. Деталь типа В
перекрывает два источника излучений, а деталь типа А – один источник.
В качестве источника излучения можно выбрать люминесцентный индикатор.
Его высвечивание может осуществляться либо электрическим полем,
прикладываемым к электролюминесцентному конденсатору, либо током,
протекающим через люминофор. Люминесцентный конденсатор состоит из
подложки, на которую наносится проводящий слой (электрод), слоя люминофора,
защитного слоя и второго электрода. Если выход света осуществляется со
стороны подложки, то она выполняется прозрачной.
В качестве приемника излучения выберем фоторезистор. Чувствительный
элемент в фоторезисторе выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой
полупроводникового фоточувствительного материала. Электропроводность
полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в
валентной зоне и примесных уровнях.
При небольших уровнях освещенности преобразователя число возбужденных
светом электронов пропорционально освещенности. Его электрическая
проводимость [pic], где [pic] - фототок, [pic] - напряжение, приложенное к
преобразователю, также пропорционально освещенности.
При больших освещенностях пропорциональность нарушается.
Вольт-амперная характеристика фоторезисторов линейна, то есть их
сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Фоторезисторы имеют
высокую чувствительность, но их сопротивление зависит от температуры. Для
уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста.
4. Разработка и написание программы управления
4.1. Разработка структуры системы управления
Для управления работой манипулятора следует подавать в определенной
последовательности сигналы на ИМ1-1, ИМ1-2, ИМ2-1, ИМ2-2, ИМ3-1, ИМ3-2, ИМ4-
1, ИМ4-2, ИМ5-1, ИМ5-2 и учитывать выходные сигналы с КВ1-1, КВ1-2, КВ2-1,
КВ2-2, КВ3-1, КВ3-2, КВ4-1, КВ4-2. Исходя из всего вышесказанного, можно
получить следующую общую схему системы управления:
Входы "Фотодатчик 1" и "Фотодатчик 2" служат для распознания типа
детали.
Технический процесс работы манипулятора и всей линии в целом проходит
под управлением устройства автоматики в соответствии с командами программы
пользователя. С помощью этой программы устройство автоматики обрабатывает
сигналы, поступающие на входы от датчиков процесса. Результат обработки
сигналов далее выдается через выходы на управляющие процессом механизмы.
4.2 Функциональная блок-схема алгоритма управления промышленным роботом
Для составления программы управления роботом составим концептуальную
блок-схему алгоритма управления:
[pic]
4.3 Присвоение адресов
Для того, чтобы наше устройство автоматики работало с
вышеперечисленными в п.4.1 входами и выходами, присвоим им в левом столбце
адреса:
|E32.0 |KB1-1 |датчики |
|E32.1 |KB1-2 | |
|E32.2 |KB2-1 | |
|E32.3 |KB2-2 | |
|E32.4 |KB3-1 | |
|E32.5 |KB3-2 | |
|E32.6 |KB4-1 | |
|E32.7 |KB4-2 | |
|E33.0 |Фотодатчик 1 | |
|E33.1 |Фотодатчик 1 | |
|E33.2 |Тара 1 сменена | |
|E33.3 |Тара 2 сменена | |
|E33.4 |Кнопка "СТОП" | |
|E33.5 |Кнопка "ПУСК" | |
| | | |
|A32.0 |ИМ1-1 |Исполнительные |
| | |механизмы |
|A32.1 |ИМ1-2 | |
|A32.2 |ИМ2-1 | |
|A32.3 |ИМ2-2 | |
|A32.4 |ИМ3-1 | |
|A32.5 |ИМ3-2 | |
|A32.6 |ИМ4-1 | |
|A32.7 |ИМ4-2 | |
|A33.0 |ИМ5-1"СХВАТ ЗАКРЫТ" | |
|A33.1 |ИМ5-2"СХВАТ ОТКРЫТ" | |
|A33.2 |"СМЕНИТЬ ТАРУ 1" | |
|A33.2 |"СМЕНИТЬ ТАРУ 2" | |
4.4 Алгоритмическое представление программы
4.4.1 Алгоритм включения меркера М0.0 (сегмент 1)
ЕСЛИ нажата кнопка "ПУСК" (Е33.5 сигнал 1)
ИЛИ нажата кнопка "Тара 1 сменена" (Е33.2 сигнал 1)
ИЛИ нажата кнопка "Тара 2 сменена" (Е33.3 сигнал 1)
И-НЕ нажата кнопка "СТОП" (Е33.4 сигнал 0)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (М2.2 S=1)
И включается меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ЕСЛИ нажата кнопка "СТОП" (Е33.4 сигнал 1)
ИЛИ сработал КВ2-1 (Е32.2 сигнал 1)
И включен "Переполнение тары 1" (А33.2 сигнал 1)
ИЛИ сработал КВ2-1 (Е32.2 сигнал 1)
И включен "Переполнение Тары 2" (А33.3. сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (M2.2 R=1)
И включается меркер М0.0 (М0.0 сигнал 0)
4.4.2 Алгоритм включения меркера М0.1 (сегмент 2)
ЕСЛИ сработал "фотодатчик 1" (Е33.0 сигнал 1)
И сработал "фотодатчик 2" (Е33.1 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (М2.3 S=1)
И включается меркер М0.1 (М0.1 сигнал 1)
ЕСЛИ сработал КВ1-2 (Е32.1 сигнал 1)
И "Схват открыт" (А33.1 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (М2.3 R=1)
И выключается меркер М0.1 (М0.1 сигнал 1)
4.4.3 Алгоритм включения "Схват закрыт" (сегмент 3)
ЕСЛИ включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
И сработал КВ2-1 (Е32.2 сигнал 1)
ТОГДА включить таймер (SS) (Т1: Т!-!S)
И через время t=0,7 сек (КТ0007.2) включится "Схват закрыт" (А33.0
сигнал1 )
ЕСЛИ сработал КВ4-2 (Е32.7 сигнал 1)
ИЛИ включен меркер М0.1 (М0.1 сигнал 1)
И сработал КВ1-2 (Е32.1 сигнал 1)
ТОГДА сбросить таймер (SS) (Т1: R=1)
И выключится "Схват закрыт" (А33.0 сигнал 0)
4.4.4 Алгоритм включения ИМ2-1 (сегмент 4)
ЕСЛИ "Схват закрыт" (А33.0 сигнал 1)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
И сработал КВ2-1 (Е32.2 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (М1.0 S=1)
И включается ИМ2-1 (А32.2 сигнал 1)
ЕСЛИ сработал КВ2-2 (Е32.3 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (М1.0 R=1)
И выключается ИМ2-1 (А32.2 сигнал 0)
4.4.5 Алгоритм включения ИМ1-1 (сегмент 5)
ЕСЛИ сработал КВ4-2 (Е32.7 сигнал 1)
И сработал КВ1-1 (Е32.0 сигнал 1)
И "Схват закрыт" (А33.0 сигнал 1)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (M1.2 S=1)
И включается ИМ1-1 (А32.0 сигнал 1)
ЕСЛИ включен КВ1-2 (Е32.1 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (M1.1 R=1)
И выключается ИМ1-1 (А32.0 сигнал 0)
4.4.6 Алгоритм включения ИМ3-1 (сегмент 6)
ЕСЛИ включен КВ3-2 (Е32.5 сигнал 1)
И включен КВ2-1 (Е32.2 сигнал 1)
И "Схват закрыт" (А33.0 сигнал 1)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (M1.3 S=1)
И включаем ИМ3-1 (А32.4 сигнал 1)
ЕСЛИ включен КВ3-1 (Е32.4 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (M1.3 R=1)
И выключаем ИМ3-1 (А32.4 сигнал 0)
4.4.7 Алгоритм включения меркера М0.5 (сегмент 7)
ЕСЛИ включен КВ1-2 (Е32.1 сигнал 1)
И включен меркер М0.1 (М0.1 сигнал 1)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (M1.4 R=1)
И выключаем меркер М0.5 (сигнал 0)
4.4.8 Алгоритм включения меркера М0.2 (сегмент 8)
ЕСЛИ "Схват открыт" (А33.1 сигнал 1)
И включен меркер М0.1 (М0.1 сигнал 1)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА включается таймер (SS) (T2: T!-!S=1)
И через время t=0,07 сек (КТ00007.2) включится меркер М0.2
ЕСЛИ включен КВ4-1 (Е32.6 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается таймер (SS) (Т2: R=1)
ИЛИ включается меркер М0.2 (М0.2 сигнал 0)
4.4.9 Алгоритм включения ИМ4-1 (сегмент 9)
ЕСЛИ сработал КВ2-2 (Е32.3 сигнал 1)
И-НЕ включен меркер М0.1 (М0.1 сигнал 0)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
И "Схват закрыт" (А33.0 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (M1.5 S=1)
И включается ИМ4-1 (А32.6 сигнал 1)
ЕСЛИ сработал КВ4-2 (Е32.7 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (M1.5 R=1)
И выключаем ИМ4-1 (А32.6 сигнал 0)
4.4.10 Алгоритм включения меркера М0.3 (сегмент 10)
ЕСЛИ включен КВ4-2 (Е32.7 сигнал 1)
И-НЕ включен меркер М0.1 (М0.1 сигнал 0)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (M1.6 S=1)
И включаем меркер М0.3 (М0.3 сигнал 1)
ЕСЛИ "Схват закрыт" (А33.0 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (M1.6 R=1)
И выключаем меркер М0.3 (М0.3 сигнал 0)
4.4.11 Алгоритм включения ИМ4-2 (сегмент 11)
ЕСЛИ "Схват закрыт" (А33.1 сигнал 1)
И-НЕ включен меркер М0.1 (М0.1 сигнал 0)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА включается таймер (SS) (T3: T!-!S=1)
И через время t=0,07 сек (КТ00007.2) включается ИМ4-2 (А32.7 сигнал 1)
ЕСЛИ сработал КВ4-1 (Е32.6 сигнал 1)
ТОГДА сбросить таймер (SS) (Т2: R=1)
И выключаем ИМ4-2 (А32.7 сигнал 0)
4.4.12 Алгоритм включения меркера М0.4 (сегмент 12)
ЕСЛИ включен КВ1-1 (Е32.0 сигнал 1)
И-НЕ включен меркер М0.1 (М0.1 сигнал 0)
И "Схват открыт" (А33.1 сигнал 1)
И сработал КВ4-2 (Е32.7 сигнал 1)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (M1.7 S=1)
И включаем меркер М0.4 (М0.4 сигнал1)
ЕСЛИ сработал КВ4-1 (Е32.6 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (M1.7 R=1)
И выключаем меркер М0.4 (М0.4 сигнал 0)
4.4.13 Алгоритм срабатывания "Схват открыть" (сегмент 13)
ЕСЛИ включен меркер М0.5 (М0.5 сигнал 1)
ИЛИ включен меркер М0.3 (М0.3 сигнал 1)
ТОГДА включается "Схват открыть" (А33.1 сигнал 1)
4.4.14 Алгоритм включения ИМ3-2 (сегмент 14)
ЕСЛИ включен меркер М0.4 (М0.4 сигнал 1)
И включен меркер М0.2 (М0.2 сигнал 1)
ТОГДА включается ИМ3-2 (А32.5 сигнал 1)
4.4.15 Алгоритм включения ИМ1-2 (сегмент 15)
ЕСЛИ сработал КВ1-2 (Е32.1 сигнал 1)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
И "Схват открыт" (А33.1 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (M2.0 S=1)
И включается ИМ1-2 (А32.1 сигнал 1)
ЕСЛИ сработал КВ1-1 (Е32.0 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (M2.0 R=1)
И выключается ИМ1-2 (А32.1 сигнал 0)
4.4.16 Алгоритм включения ИМ2-2 (сегмент 16)
ЕСЛИ сработал КВ4-1 (Е32.6 сигнал 1)
И сработал КВ2-2 (Е32.3 сигнал 1)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (M2.1 S=1)
И включается ИМ2-2 (А32.3 сигнал 1)
ЕСЛИ сработал КВ3-1 (Е32.2 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (M2.1 R=1)
И выключается ИМ2-2 (А32.3 сигнал 0)
4.4.17 Алгоритм включения меркера М0.6 (сегмент 17)
ЕСЛИ сработал КВ1-1 (Е32-0 сигнал 1)
И сработал КВ4-2 (Е32.7 сигнал 1)
И "Схват открыт" (А33.1 сигнал 1)
ТОГДА срабатывает счетчик (ZR) (Z1:ZR=1)
И уменьшает свое состояние на 1
ПОКА счетчик не в нуле (Z1:Q=1)
ЕСЛИ включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА счетчик устанавливается в состояние 1 (KZ 001)
4.4.18 Алгоритм включения "Переполнения тары 2" (сегмент 18)
ЕСЛИ НЕ включен меркер М0.6 (М0.6 сигнал 0)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (M2.5 S=1)
И включаем "Переполнение тары 2" (А33.3 сигнал 1)
ЕСЛИ нажата кнопка "Тара 2 сменена" (Е33.3 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (M2.5 R=1)
И выключаем " Переполнение тары 2" (А33.3 сигнал 0)
4.4.19 Алгоритм включения меркера М0.7 (сегмент 19)
ЕСЛИ сработал КВ1-2 (Е32.1 сигнал 1)
И-НЕ включен меркер М0.1 (М0.1 сигнал 0)
И "Схват открыт" (А33.1 сигнал 1)
ТОГДА срабатывает счетчик (ZR) (Z2:ZR=1)
И уменьшает свое состояние на 1
ПОКА счетчик не в нуле (Z2:Q=1)
ТОГДА включается меркер М0.7 (М0.7 сигнал 1)
ЕСЛИ включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА счетчик устанавливается в состояние 1 (KZ 001)
ЕСЛИ включен меркер М1.1 (М1.1 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается счетчик Z2(ZR) (Z2:R=1)
4.4.20 Алгоритм включения "Сменить тару 1" (сегмент 20)
ЕСЛИ НЕ включен меркер М0.7 (М0.7 сигнал 1)
И включен меркер М0.0 (М0.0 сигнал 1)
ТОГДА взводится триггер (S/R) (M2.4 S=1)
И включаем "Сменить тару 1" (А33.2 сигнал 1)
ЕСЛИ нажата кнопка "Тара 1 сменена" (Е33.2 сигнал 1)
ТОГДА сбрасывается триггер (S/R) (M2.4 R=1)
И выключаем "Сменить тару 1" (А33.2 сигнал 0)
4.5 Представление программы управления роботом-манипулятором в релейно-
контактном виде
Сегмент 1
Сегмент 2
Сегмент 3
Сегмент 4
Сегмент 5
Сегмент 6
Сегмент 7
Сегмент 8
Сегмент 9
Сегмент 10
Сегмент 11
Сегмент 12
Сегмент 13
Сегмент 14
Сегмент 15
Сегмент 16
Сегмент 17
Сегмент 18
Сегмент 19
Сегмент 20
4.6 Представление программы управления роботом-манипулятором в виде
функциональной схемы
Сегмент 1
[pic]
Сегмент 2
[pic]
Сегмент 3
[pic]
Сегмент 4
[pic]
Сегмент 5
[pic]
Сегмент 6
[pic]
Сегмент 7
[pic]
Сегмент 8
[pic]
Сегмент 9
[pic]
Сегмент 10
[pic]
Сегмент 11
[pic]
Сегмент 12
[pic]
Сегмент 13
[pic]
Сегмент 14
[pic]
Сегмент 15
[pic]
Сегмент 16
[pic]
Сегмент 17
[pic]
Сегмент 18
[pic]
Сегмент 19
[pic]
Сегмент 20
[pic]
4.7 Представление программы управления роботом-манипулятором в виде
последовательности команд
Сегмент 1
:UN E33.4
:U (
:O E33.5
:O E33.2
:O E33.3
:)
:S M2.2
:O(
:O E33.4
:O(
:U E32.2
:U A33.2
:)
:O(
:U E32.2
:U A33.3
:)
:)
:R M2.2
:=M0.0
Сегмент 2
:U E33.0
:U E33.1
:S M2.3
:U E32.1
:U A33.1
:R M2.3
:=M0.1
Сегмент 3
:U M0.0
:U E32.2
:SI T1
:L KT 007.1
:O E32.7
:O(
:U M0.1
:U E32.1
:)
: R T1
:UT1
:=A33.0
Сегмент 4
:U A33.0
:U M0.0
:U E32.2
:S M1.0
:U E32.3
:R M1.0
:=A32.2
Сегмент 5
:U E32.7
:U E32.0
:U A33.0
:U M0.0
:S M1.2
:U E32.1
:R M1.2
:=A32.0
Сегмент 6
:U E32.5
:U E32.2
:U A33.0
:U M0.0
:S M1.3
:U E32.4
:R M1.3
:=A32.4
Сегмент 7
:U E32.1
:U M0.1
:U M0.0
:S M1.4
:U A33.0
:R M1.4
:=M0.5
Сегмент 8
:U A33.1
:U M0.1
:U M0.0
:SI T2
:L KT 007.1
:U E32.6
: R T2
:UT2
:=M0.2
Сегмент 9
:U E32.3
:UN M0.1
:U A33.0
:U M0.0
:U E32.6
:S M1.5
:U E32.7
:R M1.5
:=A32.6
Сегмент 10
:U E32.7
:UN M0.1
:U M0.0
:S M1.6
:U A33.0
:R M1.6
:=M0.3
Сегмент 11
:U A33.1
:U M0.1
:U M0.0
:SI T3
:L KT 007.0
:U E32.6
:R T3
:UT3
:=A32.7
Сегмент 12
:U E32.2
:UN M0.1
:U A33.1
:U M0.0
:U E32.7
:S M1.7
:U E32.6
:R M1.7
:=M0.4
Сегмент 13
:O M0.5
:O M0.3
:=A33.1
Сегмент 14
:O M0.4
:O M0.2
:=A32.5
Сегмент 15
:U E32.1
:U A33.1
:U M0.0
:U E32.7
:S M2.0
:U E32.0
:R M2.0
:=A32.1
Сегмент 16
:U E32.6
:U A33.1
:U M0.0
:U E32.3
:S M2.1
:U E32.2
:R M2.1
:=A32.3
Сегмент 17
:U E32.0
:UN A33.1
:U E32.7
:ZR Z1
:NOP 0
:U M0.0
:L KZ 011
:S Z1
:U M1.1
:R Z1
:UZ
:=M0.6
Сегмент 18
:U M0.0
:UN M0.6
:S M2.5
:U E33.3
:R M2.5
:=A33.3
Сегмент 19
:U E32.1
:UN M0.1
:U A33.1
:ZR Z1
:NOP 0
:U M0.0
:L KZ 019
:S Z1
:U M1.1
:R Z1
:UZ
:=M0.7
Сегмент 20
:U M0.0
:U N M0.7
:S M2.4
:U E33.2
:R M2.4
:=A33.2
5. Список литературы
1. Денисенко Т.А, Михайлов Е.П и др. "Методические указания к
выполнению курсового проекта по курсу "Локальные системы
автоматики", ОГПУ, 1997
2. Денисенко Т.А, Тихончук С.Т "Методические указания по
применению контроллеров семейства SIMATIC S5", ОГПУ, 1998
-----------------------
датчик 1
датчик 2
1 тип
Источники
Источники
Приемники
Приемники
2 тип
датчик 1
датчик 2
Кнопки
Пуск
Стоп
Тара 1 сменена
Тара 2 сменена
Индикаторы
Сменить тару 1
Сменить тару 2
Тара 1
Тара 1
Тара 2
Тара 1
A
B
C
D
КВ4-1
ИМ4-1
ИМ1-1
КВ1-2
ИМ1-2
ИМ4-2
КВ1-1
КВ4-2
E
[pic]
[pic]
ИМ2-2
ИМ2-1
КВ3-1
ИМ3-1
КВ2-1
ИМ3-2
КВ3-2
Модуль ввода-вывода
Модуль диагностики
Коммутационные органы
интеллектуальный модуль
регулирование
позиционирование
дозирование
Память программы пользователя
Блок питания
Центральный блок (ПЗУ, ОЗУ)
S5
S4
S3
S2
S1
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
ПУСК
СТОП
ТАРА 1 сменена
ТАРА 2 сменена
КВ1-1
КВ1-2
КВ2-1
КВ2-2
КВ3-1
КВ3-2
КВ4-1
КВ4-2
Фотодатчик 1
Фотодатчик 2
ИМ1-1
ИМ1-2
ИМ2-1
ИМ2-2
ИМ3-1
ИМ3-2
ИМ4-1
ИМ4-2
ИМ5-1
ИМ5-2
Сменить ТАРУ 1
Сменить ТАРУ 2
Датчики
Выходы
Программа
пользователя
Входы
Устройство
автоматики
Исполнительные механизмы
автоматики
КВ2-2
E33.5
E33.2
E33.3
E33.4
E32.2
E32.2
E33.4
R
Q
S
A33.2
A33.3
M0.0
E33.0
E32.1
E33.1
А33.1
S
Q
R
M0.1
М2.2
М2.3
М0.0
Е32.7
Е32.2
М0.1
Е32.1
R
Q
А33.0
КТ007.1
Т!-!S
TW
E32.2
A33.0
Е32.3
M0.0
М1.0
S
Q
R
А32.2
A33.0
E32.7
Е32.1
E32.0
А32.0
М1.2
S
Q
R
M0.0
M0.0
А32.4
М1.3
S
Q
R
A33.0
E32.5
Е32.4
E32.2
E32.2
M0.5
М1.4
S
Q
R
M0.0
E32.1
A33.0
M0.1
A33.1
Е32.6
M0.1
TW
Т!-!S
Q
R
M0.0
KT007.1
M0.2
M0.0
M0.4
М1.7
S
Q
R
M0.1
E32.0
Е32.6
A33.1
E32.7
M0.3
М1.6
S
Q
R
M0.0
E32.7
A33.0
M0.1
A32.7
TW
Т!-!S
Q
R
M0.0
A33.1
E32.6
M0.1
KT007.0
A32.5
M0.4
A33.1
M0.3
M0.5
M0.2
M0.0
A32.1
М2.0
S
Q
R
M0.0
E32.1
Е32.0
A33.1
E32.7
A32.3
М2.1
S
Q
R
E32.6
Е32.2
A33.1
E32.3
ZR
E32.0
A33.1
E32.7
ZV
S
ZW
R
Q
DU
M0.0
M1.1
M0.6
M1.1
A33.3
М2.5
S
Q
R
M0.0
Е33.3
M0.6
M0.7
M0.0
DU
Q
R
ZW
S
ZV
ZR
E32.1
M0.1
A33.1
KZ019
A33.2
М2.4
S
Q
R
M0.0
Е33.2
M0.7
T2
M0.0
А32.6
М1.5
S
Q
R
M0.1
E32.3
Е32.7
A33.0
E32.6
T1
T3
Реферат на тему: Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах. Автоматизация измерительной установки
Министерство образования Российской Федерации
Нижегородский государственный технический университет
Дзержинский филиал
Факультет
Химико-механический
Кафедра
Автоматизация технологических процессов и производств
Магистерская диссертация
по теме:
Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах. Автоматизация
измерительной установки.
Выполнил:
магистрант гр. 95-АТПМ-1
Ермаков Е. С.
Зав. кафедрой АТПП:
д.т.н., профессор
Сажин С.Г.
Научный руководитель:
д.т.н., профессор
Сажин С.Г.
г. Дзержинск
2001 г.
Содержание
Содержание 2
Введение 3
Литературный обзор 5
Основные принципы конструирования ПАВ сенсоров 5
Некоторые задачи, решаемые ПАВ сенсорами 11
Конструкция экспериментальной ячейки 18
Описание приборов и материалов 21
Сопряжение частотомера с ЭВМ 35
Особенности задачи 35
Постановка задачи сопряжения 41
Преобразование уровня 43
Преобразование кода 44
Параллельные порты ввода/вывода. 53
Прерывания 56
Последовательный порт ввода/вывода 57
Разработка программного обеспечения устройства сопряжения 64
Математическое моделирование 70
Экспериментальные результаты 78
Экономическая часть 83
Техника безопасности 84
Выводы 85
Список использованных источников 86
Введение
В условиях современности проблема контроля за состоянием окружающей
среды выходит на все более ведущее место. Контроль этот осуществляется как
стационарными приборами, так и портативными. К стационарным приборам можно
отнести инфракрасные спектрометры, газовые хроматографы, массовые
спектрометры и некоторые другие. Работа портативных приборов основана на
использовании твердотельных преобразователей. Такие преобразователи
позволяют осуществлять миниатюризацию приборов, снижать потребляемую ими
мощность, а также дают возможность производить их с помощью технологии
микроэлектроники, ну а это - качество, надежность и возможность создания
многоточечных систем контроля. Разработка такого рода приборов является
актуальной проблемой микроэлектроники и автоматики. [1].
Химический твердотельный сенсор представляет собой микроэлектронное
устройство, которое преобразует изменение химических свойств среды или
состава среды в электрический сигнал [2]. Одним из наиболее перспективных
направлений в разработке химических сенсоров является создание устройств на
поверхностно-акустических волнах (ПАВ). ПАВ устройства привлекательны для
применения в качестве химических микросенсоров в силу своей
чувствительности, малого размера и дешевизны изготовления на основе
технологии микроэлектроники. Так же преимуществом ПАВ сенсоров является
высокая чувствительность скорости распространения поверхностно-акустической
волны к любым изменениям свойств поверхностного материала. Это объясняется
тем, что чувствительность таких сенсоров растет пропорционально квадрату
рабочей частоты прибора, а охватываемый диапазон рабочих частот изменяется
от десятков мегагерц до нескольких гигагерц.
Необходимо отметить, что область применения ПАВ сенсоров достаточно
широка и разнообразна. Эти приборы также нашли свое применение в качестве
датчиков температуры и давления, а, кроме того, дают возможность проводить
исследование свойств различных полимерных пленок.
Литературный обзор
Основные принципы конструирования ПАВ сенсоров
В своей основной форме химический микросенсор представляет собой по
меньшей мере два элемента: миниатюрная подложка и химически селективное
покрытие [10].
Подложка имеет контакт с покрытием и обеспечивает возникновение
электрического сигнала, чьи характеристики отражают состояние покрытия.
Покрытие имеет контакт со средой, содержащей химическое вещество,
которое должно быть обнаружено. Различия в свойствах покрытия, посредством
которых происходят те или иные химические взаимодействия, обеспечивают
перенос вещества или энергии через подложку [10].
Возникновение акустической волны достигается использованием ПАВ
покрытия, линии задержки и колебательного контура.
При адсорбции чувствительным покрытием определяемых веществ происходит
изменение характеристик поверхностно-акустической волны, таких как фазовая
скорость, амплитуда и частота. Происходит это вследствие изменения упругих
свойств чувствительного слоя и его электропроводности [1]. По этим
изменениям можно судить о концентрации примеси в среде.
ПАВ микросенсор представляет собой тонкую пластинку из отполированного
пьезоэлектрического материала (например, кварца, ниобата лития, танталата
лития), на которую нанесены две системы встречно-штырьевых преобразователей
(ВШП), одна из которых работает в качестве передающего преобразователя, а
вторая является принимающим преобразователем [2]. Края на обоих концах
пластинки искажаются или нагружаются абсорбционной резиной для подавления
отражения в направлении распространения первичной волны. Если на одну из
систем ВШП подается высокочастотное напряжение, то на поверхности пластинки
за счет обратного пьезоэффекта генерируется поверхностно-акустическая
волна. Эта волна затем распространяется вдоль поверхности пластинки до тех
пор, пока не попадет на другую систему ВШП, где она преобразуется обратно в
высокочастотное напряжение. Время задержки [pic] между входным и выходным
электрическими сигналами определяется по формуле:
[pic],
где l - среднее расстояние между системами ВШП,
v - скорость распространения поверхностно-акустической волны.
Максимальное акустоэлектрическое взаимодействие систем ВШП имеет место
при характеристической частоте [pic], определяемой следующим соотношением:
[pic],
где h - шаг ВШП [З].
Соединение двух ВШП через высокочастотный усилитель (рис. 1) дает
возможность данному устройству поддерживать колебательный процесс на
резонансной частоте при условии выполнения следующих требований:
набег фаз в кольце получающегося таким образом колебательного контура
составляет [pic], где n - целое число;
потери в линии задержки компенсируются усилителем [2].
Область распространения ПАВ между системами ВШП используется в
сенсорных устройствах в качестве чувствительной области. Любое изменение
физических параметров среды (температуры, давления) оказывает влияние на
рабочую частоту ПАВ прибора. Это явление используется в данном типе
датчиков в качестве сенсорного эффекта. В случае применении ПАВ приборов в
качестве химических газовых сенсоров на область распространения
поверхностно-акустической волны наносится чувствительное покрытие,
обладающее свойством селективно взаимодействовать с определяемым веществом.
Нанесение покрытия отражается в значительном ослаблении поверхностной волны
и соответствующем уменьшении резонансной частоты прибора. Было показано [2]
что изменение резонансной частоты, обусловленное наличием покрытия на
поверхности распространения поверхностно-акустической волны, описывается
следующим соотношением:
[pic],
где [pic] - сдвиг резонансной частоты за счет изменения чувствительным
покрытием скорости поверхностно-акустической волны,
[pic] и [pic] характеристики пьезоэлектрического материала,
[pic] - начальная резонансная частота,
h - толщина чувствительного покрытия,
[pic] - его плотность.
Не трудно заметить, что произведение [pic] - представляет собой массу
покрытия на единицу площади. Таким образом, изменение частоты поверхностно-
акустической волны зависит в первую очередь от двух факторов - массы
единицы площади пленки и механических свойств пьезоэлектрической подложки.
Применение слишком толстых пленок отражается в чрезмерном ослаблении
скорости поверхностно-акустической волны и последующем затухании колебаний.
Было установлено, что наиболее приемлемой является толщина пленки,
составляющая (1% от длины волны. В этом случае способность покрытия
адсорбировать определяемые вещества достаточно велика, чтобы обеспечить
хорошую чувствительность. С другой стороны такая толщина покрытия не
приводит к затуханию колебаний.
В результате адсорбции газов чувствительным покрытием изменяются
свойства среды распространения поверхностно-акустической волны, а,
следовательно, и ее характеристики.
В общем случае, для определения концентрации газов можно измерять
изменение амплитуды, скорости или частоты поверхностно-акустической волны.
Наиболее простым, надежным, а самое главное точным методом является
измерение сдвига частоты. То есть в качестве сенсорного эффекта в данном
типе датчиков используется различие рабочих частот поверхностно-
акустической волны прибора в различных средах.
Некоторые задачи, решаемые ПАВ сенсорами
В работе [6] авторами решена задача классификации ароматов и
определения степени свежести пищевых продуктов по запаху с использованием
аналитической микросхемы, работающей на принципе измерения скорости
поверхностно-акустической волны. Описывается микросистема для исследования
запахов и ароматов, основанная на использовании набора пьезоэлектрических
резонаторов с покрытиями, селективно сорбирующими пары определяемых
соединений из атмосферы. Полученный прибор состоит из восьми резонаторов,
колеблющихся с разной частотой в интервале от 380 до 433 МГц и имеющих
разные чувствительные покрытия.
Также было исследовано [7] воздействие линейных и разветвленных
углеводородов на ПАВ сенсоры с чувствительными покрытиями на основе пленок
фторированных полиамидов. В ходе исследования было выявлено, что такие ПАВ
сенсоры могут быть использованы для обнаружения линейных и разветвленных
углеводородов, так как линейные углеводороды, проникая в пленку, дают
изменение массы пленки на два порядка большее, чем соответствующие им
разветвленные изомеры, что приводит к изменению частоты.
В работе [8] найден способ и приведена конструкция устройства для
обнаружения душистых веществ в воздухе. Устройство представляет собой
систему, которая состоит из набора полупроводниковых и ПАВ сенсоров. В
статье даны результаты сравнения двух сортов кофе и двух видов духов. Также
был проведен анализ составляющих запахов оливкового масла, столового вина,
наркотиков (морфин, кокаин и др.), различных взрывчатых веществ, пищевых
корковых пробок, тела человека и запаха животных.
В работе [13] рассматривались поверхностно-акустические устройства,
покрытого тонким слоем хемоселективного материала. Такие устройства
являются высокочувствительными химическими сенсорами для обнаружения и
мониторинга паров и газов. Также в данной работе дана оценка ПАВ устройств
с различными материалами, использующимися в качестве покрытия и устройств,
покрытых различными способами. В процессах описанных в работе исследований
применялся новый способ лазерного выбивания с использованием матрицы и
пульсирующего лазера. На чувствительную область ПАВ сенсора кроме всего
прочего наносился пасcивирующий слой углерода. В работе определены и
представлены электрические характеристики и различные параметры устройств
для обнаружения различных газов.
В работе [11] представлен сенсор для обнаружения по месту и измерения
низких концентраций газообразной ртути. Принцип действия сенсора основан на
использовании генератора колебаний ПАВ и двойной линии задержки с золотым
покрытием. Газообразная ртуть избирательно реагирует с золотой пленкой,
образуя амальгаму. В результате увеличивается масса пленки, которая
вызывает уменьшение частоты колебаний. Измерение концентрации газа
производится различием отклика сенсора при комнатной температуре и
температуре, при которой достигается динамическое равновесие реакция
амальгамирования и десорбции. Значение величины равновесия достаточно
сильно зависит от концентрации газа. Таким образом, частота генератора
колебаний в линии задержки может служить чувствительной мерой концентрации
газообразной ртути.
В работе также представлен график зависимости отклика сенсора от
концентрации газообразной ртути в диапазоне 10-9. Также проанализированы
такие особенности отклика сенсора как форма отклика, величина отклика,
время отклика и линейность при 25 0С и 200 0С.
В работе [15] рассмотрен ПАВ сенсор в качестве гравиметрического
сенсора. В этой работе изучалась адсорбция и десорбция хлорбензола, о-
дихлорбензола и хлороформа в поли[n-бутилметакрилате] (ПБМА) при помощи ПАВ
сенсора и с помощью методов гравиметрического анализа (ГМА) с
использованием полимерных пленок. Процессы сорбции анализировались с
помощью модели Фикиана и были получены коэффициенты наилучшего разделения и
диффузии. Экспериментальные данные хорошо соответствовали модели.
Коэффициенты разделения, полученные из отклика ПАВ, не зависели от толщины
покрытия и были в 2 – 3 раза выше, чем коэффициенты разделения, полученные
из отклика гравиметрического сенсора. В противоположность этому,
коэффициенты диффузии увеличивались линейно в зависимости от толщины
покрытия в диапазоне частот 70-560 кГц. При минимальной толщине покрытия
ПАВ коэффициенты были сравнимы с относительными ГМА коэффициентами. Данное
исследование еще раз подтверждает правоту того, что отклик ПАВ химических
сенсоров выше, чем ожидаемый только от изменения массы. Вязко-эластичный
эффект также более ярко выражен, чем гравиметрический. Более того, подобие
диффузионных коэффициентов, полученных при более толстом слое полимера,
говорит о том, что скорости изменения вязко-эластичных компонентов ПАВ и
гравиметрического элемента подобны. Авторами работы был сделан вывод, что
оба явления имеют в своей основе один и тот же процесс: адсорбцию
анализируемого вещества в полимер. И с этой точки зрения, по мнению авторов
работы, покрытый полимером ПАВ сенсор может считаться частным случаем
гравиметрического сенсора.
В работе [14] представлен сенсор на ПАВ с двойной линией задержки с
напыленной пленкой WO3:Ru в качестве чувствительного элемента. В результате
окисления оксида азота (NO) полупроводниковой пленки оксида металла
уменьшается концентрация носителей в пленке и, следовательно, ее
проводимость. Это уменьшение проводимости пленки является причиной
увеличения скорости ПАВ. Таким образом, в приборе, который представляет
собой колебательный контур с двойной линией задержки, частота
чувствительного канала является мерой чувствительности концентрации NO. В
работе также представлены отклики данного сенсора на концентрации NO (10-9
– 10-6) в воздухе, то есть среди газов более высоких концентраций. Также в
работе проанализированы зависимости отклика сенсора от времени отклика,
времени восстановления, минимального уровня концентрации, уровня насыщения
и линейность отклика. Кроме того, приводятся рисунки и возможности
улучшения показателей сенсора в будущем.
В работе [13] представлен ПАВ сенсор для измерения относительной
влажности и концентрации углекислого газа при комнатной температуре. Он
представляет собой две 97 МГц линии задержки ПАВ, покрытые тонкими
полимерными пленками. Одна линия задержки служит для измерения
концентрации, вторая – для измерения относительной влажности. В работе
также представлены кривые зависимости отклика сенсора от определяемых
параметров.
В работе [20] использовался датчик, содержащий 2 независимые
идентичные линии задержки с исследуемыми покрытиями. Каждая линия задержки
соединена с частотомером и через специальную плату интерфейса с
персональной ЭВМ «Нейрон». Математическое обеспечение позволяло в режиме
реального времени считывать показания частотомеров 1 раз в секунду и
накапливать результаты измерений в буфере ЭВМ для последующей обработки.
Как видно из работ зарубежных и отечественных разработчиков ПАВ
сенсоров, при проведении исследований необходима обработка больших объемов
данных. Поэтому возникает необходимость повысить степень автоматизации
экспериментальной установки. Для чего считается целесообразным сопряжение
измерительных приборов, необходимых для проведения эксперимента с ЭВМ.
Данная задача успешно решается зарубежными разработчиками, в то время как
среди научных разработок отечественных ученых такая задача была решена
только в работе [20]. В этой работе использовалась достаточно маломощная
ЭВМ «Нейрон», которая при современных требованиях к быстроте и качеству
обработки информации не может справиться со своей задачей. Для успешного
проведения исследований необходимо повысить степень автоматизации
установки, путем сопряжения ее с ЭВМ более высокого уровня.
Цель работы – разработать схему, программу, обслуживающую интерфейсное
устройство сопряжения и произвести подключение измерительной установки к
ЭВМ.
Конструкция экспериментальной ячейки
В качестве чувствительных элементов на поверхностно-акустических
волнах использовались линии задержки ПАВ, выполненные на АТ-срезе
монокристаллического кварца таким образом, что частота генерируемой
поверхностно-акустической волны составляла 170 МГц. Для выполнения
поставленных в данной работе задач была изготовлена экспериментальная
ячейка следующей конструкции. На основание, представляющее собой пластину
100*100*10 мм из нержавеющей стали, устанавливался высокочастотный
усилитель. Усилитель был помещен в металлический корпус 25х25х10 мм и его
параметры были специально подобраны для использовавшихся в ходе
исследований ПАВ преобразователей. В верхней грани корпуса усилителя
имелись контактные отверстия, в которые вставлялись ножки стандартного ПАВ
держателя. В качестве крышки ПАВ преобразователя, для исключения влияния
внешних воздействий на частоту ПАВ, использовалась нержавеющая пластина
40х40х4 мм, в которой было вырезано отверстие необходимой геометрии и
размеров. На верхнюю грань этой пластины напротив отверстия была приварена
еще одна пластинка таким образом, что в первой пластине образовалась
полость. В данную полость помещался ПАВ преобразователь. Для создания
вакуумного уплотнения крышка прижималась к усилительной коробке при помощи
болтов диаметром 5 мм через прокладку из силиконовой резины. В верхнюю
часть пластины над ПАВ преобразователем были вварены два штуцера из
нержавеющих трубок 3-х миллиметрового диаметра для введения в ячейку
требуемых газовых потоков, а также откачки ее на вакуум. Для исключения
попадания пыли и частиц грязи на поверхность распространения поверхностно-
акустической волны, в штуцеры были введены специальные фильтры,
используемые в качестве вкладышей во входных штуцерах газовых редукторов.
При проведении экспериментов штуцеры ячейки соединялись с соответствующими
выводами универсального газового стенда.
Описание приборов и материалов
Для измерения частоты ПАВ в работе использовался частотомер электронно-
счетный Ч3-54, характеристики которого представлены ниже:
[pic]
Рисунок 3 Внешний вид частотомера Ч3-54
Назначение:
1. Частотомер электронно-счетный 43-54 предназначен для:
- измерения частоты синусоидальных и частоты следования импульсных
сигналов;
- измерения периода синусоидальных и периода следования импульсных
сигналов;
- измерения длительности импульсов и интервалов времени;
- измерения отношения частот электрических сигналов;
- суммирования электрических сигналов;
- деления частоты электрических сигналов;
- выдачи напряжений опорных частот;
- работы со сменными блоками.
2. Прибор по условиям эксплуатации предназначен для работы в условиях:
- температура окружающей среды от 243 до 323 К (от минус 30 до +50°С);
- повышенная влажность до 98% при температуре до 308 К (+35°С).
3. Прибор питается от сети переменного тока напряжением (220 ± 22) В
частотой (50±0,5) Гц; (220±11) В или (115±6) В частотой (400-12+25 ) Гц.
4. В приборе предусмотрена возможность работы со сменными блоками и другими
приборами.
Применение сменных блоков и других приборов позволяет производить
измерение частоты в широком диапазоне и значительно расширяет возможности
прибора.
При работе со сменным блоком усилителем широкополосным ЯЗЧ-31/1 прибор
измеряет частоту синусоидальных сигналов в диапазоне от 0.1 до 60 МГц при
уровне входного сигнала от 1 мВ до 10 В.
При работе со сменным блоком преобразователем частоты ЯЗЧ-41 прибор
измеряет частоту синусоидальных сигналов в диапазоне от 0,1 до 1 ГГц при
уровне входного сигнала от 0.05 до 1 В.
При работе со сменным блоком преобразователем частот ты ЯЗЧ-42 прибор
измеряет частоту синусоидальных сигналов в диапазоне от 1 до 5 ГГц при
уровне входного сигнала от 0.2 до 10 мВт.
При работе со сменным блоком преобразователем частоты ЯЗЧ-43 прибор
измеряет частоту синусоидальных сигналов в диапазоне от 4 до 12 ГГц при
уровне входного сигнала от 0.2 до 5 мВт.
При работе со сменным блоком преобразователем частоты автоматическим ЯЗЧ-
72 прибор измеряет частоту синусоидальных сигналов от 0.3 до 7 ГГц при
уровне входного сигнала от 0.2 до 5 мВт.
При работе со сменным блоком преобразователем частоты автоматическим ЯЗЧ-
72 или преобразователем частоты ЯЗЧ-42 и преобразователем частоты Ч5-13
измеряется частота синусоидальных сигналов в диапазоне от 10 до 78.33 ГГц
при уровне входного сигнала от 0,1 до 5 мВт (10 – 37.5) ГГц, от 0.5 до 5
мВт (37.5 - 70) ГГц и от 1 до 5 мВт (70 – 78.33) ГГц.
При работе со сменным блоком преобразователем частоты ЯЗЧ-87 прибор
измеряет частоту синусоидальных сигналов и несущую частоту импульсно-
модулированных сигналов от 0.07 до 12 ГГц при уровне входного сигнала от
0.1 до 5 мВт.
При работе со сменным блоком преобразователем частоты ЯЗЧ-88 прибор
измеряет частоту синусоидальных сигналов и несущую частоту импульсно-
модулированных сигналов от 8 до 18 ГГц при уровне входного сигнала от 0.4
мВт до 5 мВт.
5. Прибор может применяться для настройки, испытаний и калибровки
различного рода приемо-передающих трактов, фильтров, генераторов, для
настройки систем связи и других устройств.
Технические данные
1. Прибор измеряет:
. по ВХОДУ А частоту синусоидальных сигналов:
- в диапазоне от 0.1 Гц до 420 МГц при напряжении входного сигнала от
0.1 до 100 В эфф.;
- в диапазоне от 120 до 150 МГц при напряжении входного сигнала от 0.2
до 3 В эфф.;
. по ВХОДУ Д частоту синусоидальных сигналов в диапазоне от 50 до 300 МГц
при напряжении входного сигнала 0.2 до 3 В эфф.;
. по ВХОДУ А частоту следования импульсных сигналов любой полярности,
имеющих не более двух экстремальных значений за период, в диапазоне от
0.1 Гц до 120 МГц при напряжении входного сигнала от 0,3 до 100 В.
2. Относительная погрешность измерения частоты синусоидальных и импульсных
сигналов (f в пределах значений, рассчитанных по формуле:
[pic]
где (0 - относительная погрешность по частоте внутреннего кварцевого,
генератора или внешнего источника, используемого вместо внутреннего
генератора;
fизм – измеряемая частота, Гц;
tcч – время счета, с.
3. Номинальное значение частоты кварцевого генератора - 5 МГц. Пределы
корректировки частоты кварцевого генератора при выпуске прибора не менее
±5•10-7 относительно номинального значения частоты.
Действительное значение частоты кварцевого генератора при выпуске прибора
установлено с погрешностью в пределах ±2•10-8 относительно номинального
значения частоты после времени установления рабочего режима.
4. Максимальная относительная погрешность по частоте кварцевого генератора
после времени установления рабочего режима не должна быть более:
± 1.5(10-7 в течение 1 месяца;
±2.5(10-7 в течение 6 месяцев;
±5(10-7 в течение 12 месяцев,
Время 1, 6 и 12 месяцев отсчитывается с момента установки действительного
значения частоты с погрешностью в пределах ±2(10-8.
5. Относительное изменение среднего значения частоты выходного сигнала
кварцевого генератора за 1 сутки в пределах:
после времени установления рабочего режима ±2(10-8;
после 24 часов непрерывной работы ± 1(10-8;
после 72 часов непрерывной работы ±5(10-8.
6. Среднеквадратическая относительная случайная вариация частоты кварцевого
генератора при окружающей температуре, поддерживаемой с точностью ±1°С,
после времени установления рабочего режима не должна быть более:
±1(10-10 за 1 с;
±1(10-10 зa 10 с;
±3(10-9 за 1 ч.
7. Температурный коэффициент частоты кварцевого генератора в пределах:
±1(10-9 на 1°С (для приборов с приемкой представителя заказчика);
±3(10-9 на 1°С (для остальных потребителей).
8. Прибор измеряет по ВХОДУ Б единичный и усредненный (коэффициент
усреднения равен 10, 102, 103 и 104) период сигналов синусоидальной, и
импульсной формы любой полярности при длительности импульсов не менее 0.1
мкс в диапазоне частот от 0 до 1 МГц. Напряжение входного сигнала:
от 0.1 до 100 В эфф. для сигнала синусоидальной формы;
от 0.3 до 100 В для сигнала импульсной формы.
9. Относительная погрешность измерения периода (т синусоидальных сигналов
должна быть в пределах значений, рассчитанных по формуле:
[pic]
где (0 - относительная погрешность по частоте внутреннего кварцевого,
генератора или внешнего источника, используемого вместо внутреннего
генератора;
n - число усредняемых периодов (множитель периода);
Ттакт - период частоты заполнения (метки времени);
Тизм - измеряемый период;
(з - относительная погрешность уровня запуска, определяемая по
формуле:
[pic]
где Uш - амплитуда шумового сигнала, В;
Uc - амплитуда входного сигнала, В.
Значения относительной погрешности (з в зависимости от
соотношения [pic]приведены ниже
| |20 |40 |60 |
|[pic], дБ | | | |
|(з |3(10-2 |3(10-3 |3(10-4 |
Относительная погрешность измерения периода импульсных сигналов при
длительности фронтов импульсов не более половины периода сигнала заполнения
- в пределах значении, определяемых по формуле:
[pic]
10. Прибор измеряет отношение частот электрических сигналов.
Диапазон высшей из сравниваемых частот (ВХОД А) от 10 Гц до 150 МГц.
Диапазон низшей из сравниваемых частот (ВХОД Б) от 0 до 1 МГц.
Напряжение и форма входных сигналов соответствуют приведенным в пп. 1 и
8.
11. Относительная погрешность измерения отношения частот [pic] - в пределах
знач | |
