Sisteme de Achizitie Si Monitorizare a Parametrilor Dintr O Retea Electrica Trifazata

Sisteme de achiziție și monitorizare a

parametrilor dintr-o rețea electrică trifazată

LISTA FIGURILOR

Figura 1.1 Schema bloc a unui sistem de achiziție de date

Figura 1.2 Structura internă a unui traductor

Figura 1.3 Principiul de funcționare a traductoarelor în buclă deschisă

Figura 1.4 Principiul de funcționare a traductoarelor în buclă închisă

Figura 2.1 Schema bloc a sistemului de achiziție a datelor

Figura 3.1.1 Asignarea pinilor la microcontrolerul PIC18F8722

Figura 3.1.2 Arhitectura microcontrolerului PIC18F8722

Figura 3.1.3 Structura porturilor I/O ale microcontrolerului PIC18F8722

Figura 3.1.4 Schema bloc funcțională a porturilor PORTD și PORTE

Figura 3.1.5 Formele de undă pentru scrierea portului în mod PSP

Figura 3.1.6 Formele de undă pentru citirea portului în mod PSP

Figura 3.1.7 Schema bloc a TIMER0 în modul de operare pe 8 biți

Figura 3.1.8 Schema bloc a TIMER0 în modul de operare pe 16 biți

Figura 3.1.9 Structura blocului de conversie A/D a microcontrolerului PIC18F8722

Figura 3.1.10 Modul de selecție a canalului activ al convertorului A/D(biții ADCON0<5>. ADCON0<2>)

Figura 3.1.11 Selecția referinței de tensiune pentru convertorul A/D

Figura 3.1.12 Selecția modului de lucru a pinilor utilizați ca intrare în convertorul A/D

Figura 3.1.13 Selecția timpului de achiziție

Figura 3.1.14 Selecția semnalului de ceas pentru conversia A/D

Figura 3.1.15 Schema electronică a unității central

Figura 3.2.1 Traductorul de curent LA55-P

Figura 3.2.2 Dimensiunile mecanice ale traductorului LA55-P

Figura 3.2.3 Modul de conectare al traductorului LA55-P

Figura 3.2.4 Modulul de adaptare a curenților de măsurat (0..5Aca)

Figura 3.2.5 Traductorul de tensiune LV25-P

Figura 3.2.6 Traductorul LA25-P – dimensiuni mecanice

Figura 3.2.7 Modul de conexiune a traductorului de tensiune LV25-P

Figura 3.2.8 Modulul de măsură tensiuni dintr-o rețea trifazată

Figura 3.3.1 Schema bloc a convertorului AD736

Figura 3.3.2 Configurația pinilor circuitului AD736

Figura 3.3.3 Schema tipică de aplicație pentru circuitul AD736

Figura 3.3.4 Schema tipică în cazul alimentării de la baterie / acumulator

Figura 3.3.5 Placă de evaluare a circuitului AD736 (schema electronică și PCB)

Figura 3.3.6 Amplificatorul operațional OP07

Figura 3.3.7 Schema internă simplificată a operaționalului OP07

Figura 3.3.8 Repetor de semnal realizat cu amplificator operațional

Figura 3.3.9 Amplificator neinversor realizat cu amplificator operațional

Figura 3.3.10 Amplificator inversor realizat cu amplificator operațional

Figura 3.3.1 Amplificator inversor cu reglaj liniar al câștigului

Figura 3.3.1 Schema funcțională bloc a circuitului AD694

Figura 3.3.13 Circuitul minimal de conversie a unei tensiuni variabile în gama 0..10 V în curent (4..20 mA)

Figura 3.3.14 Utilizarea ieșirii de defect a circuitului AD694

Figura 3.3.15 Schema electronică a modulului de măsură a curentului

Figura 3.3.16 Schema electronică a modulului de măsură a tensiunii

LISTA TABELELOR

Tabelul 3.1.1 Specificatiile microcontrolerelor din familia PIC18F8722

Tabelul 3.3.1 Funcțiile pinilor convertorului AD736

Tabelul 3.3.2 Modul de configurare hardware a domeniilor precalibrate pentru AD694

INTRODUCERE

Dinamica curentă a dezvoltării tuturor domeniilor înrudite cu tehnologia informațiilor a determinat realizări de top ce permit nemijlocit îmbunătățirea unor indicatori macro-economici cu un grad de performanță ridicat.

În prezent, obiectivele de dezvoltare atât a micilor cât și a marilor producători sunt legate de modernizarea instalațiilor și a fluxurilor de producție și de înglobare în produsele proprii, indiferent de natura lor, a unei valori adăugate mari prin utilizarea atentă a manoperei de calitate. Indiferent că este vorba de o jucărie sau de un calculator, în prezent, dezvoltarea acestora ca și produse constă în specularea cerințelor pieței coroborată cu tehnologiile de ultima oră. Deși cu un preț încă ridicat, există jucării care sunt dotate, de exemplu, cu inteligență artificială. În acest domeniu, al jucăriilor, nu sunt nelipsite articolele ce se pot deplasa biped cu ușurință, ocolind fără probleme obstacole, efectuând mișcări apropiate corpului uman. Pentru a nu dilua exemplu anterior în care a fost amintit și un calculator, în prezent, accesul unui utilizator se face foarte rapid prin intermediul amprentei digitale, a vocii sau, în situații ce necesită securitate sporită, prin scanarea retinei. Aceste două exemple (jucărie, calculator) sunt date tocmai datorită faptului că acestea, deși sunt produse comune, înglobează uneori funcții ce necesită tehnologii de vârf.

În ideea creșterii valorii adăugate și a scăderii consumurilor de orice natură se încadrează și echipamentele moderne de monitorizare a anumitor parametrii pe fluxurile de producție, urmând ca după o analiză momentană sau statistică a datelor achiziționate să se reducă, de exemplu, consumul de energie.

Proiectul cu tema “ SISTEM DE ACHIZIȚIE ȘI MONITORIZARE A PARAMETRILOR DINTR-O REȚEA TRIFAZATĂ” are ca obiectiv realizarea unui sistem de achiziție a parametrilor electrici dintr-o rețea trifazată (curenți și tensiuni), ce vă sta la baza unui sistem complex de analiza ce se va dezvolta ulterior.

Proiectul este structurat în 5 capitole.

Primul capitol (CAP. 1) prezintă pe scurt problematica achiziției datelor încăpând cu structură generală bloc a unui sistem de achiziție și terminând cu prezentarea câtorva elemente specifice achiziției datelor în rețelele electrice.

Capitolul următor (CAP. 2) prezintă schema bloc a sistemului de achiziție ce a fost proiectat și dezvoltat în cadrul proiectului și sunt explicate succint funcțiile fiecărui bloc funcțional în parte. Este important de subliniat faptul că schema bloc conține și elemente ce s-au conturat pe parcursul proiectării sistemului, pentru a se păstra atât conceptul de modularitate care a stat la baza ideilor inițiale cât și utilizarea unor semnale standard de măsură (s-a ținut cont de nivelele uzuale folosite în energetica – impuse, de exemplu, de transformatoarele de măsură).

În continuare (CAP. 3), proiectul prezintă componentele hardware, organizate pe module și cuprinde și descrieri pe scurt ale elementelor componente. Sunt descrise în acest capitol al lucrării atât microcontrolerul ce a stat la baza proiectării sistemului (PIC19F8722), traductoarele de curent (LA55-P) și tensiune (LV25-P) folosite, circuitele specializate de conversie a semnalelor de c.c. și c.a. (AD736, AD694) etc. cât și schemele electronice finale.

Datorită prezenței în structură sistemului a unei componente programabile de circuit (microcontrolerul), componenta ce necesită dezvoltarea unui program de aplicație, în capitolul următor (CAP. 4) sunt prezentate câteva elemente specifice programării microcontrolerului, sub forma unui tutorial de programare. S-a considerat a fi important un astfel de capitol datorită faptului că, așa cum s-a precizat anterior, sistemul proiectat și dezvoltat în cadrul proiectului se dorește a sta la baza unui sistem mult mai complex.

În capitolul final sunt prezentate câteva concluzii ce au fost trase în timpul realizării proiectului, atât în etapa de proiectare cât și în etapa de realizare efectivă a modulelor hardware componente.

Proiectul conține, de asemenea, lista tuturor figurilor, a tabelelor, dar și o bibliografie ce cuprinde o serie de referințe pentru domeniile atinse de lucrare.

CAP. 1 SISTEME DE ACHIZIȚII DE DATE

1.1 NOȚIUNI GENERALE

Sistemele de achiziție de date reprezintă un sistem multilateral de control în care previn mai multe mărimi fizice de regulă. Prelevarea datelor se face prin intermediu unor traductoare potrivite de semnale numerice sau digitale, în vederea memorării, transmiterii sau informației achiziționate.

Sistemele de achiziție de date constituie în momentul actul un eșantion exponențial în domeniul electronici moderne, având în vedere că se utilizează o multitudine de tipuri de circuite electronice (analogice, digitale, sisteme numerice de prelucrare a informaților, interfețe standard de comunicare), împreună cu aplicațiile de program necesar acestora.

Configurația și tipuri de circuite folosit într-un sistem de achiziție de date, depinde de o serie de factori:

Rezoluția și precizia cu care se cere efectuarea conversiei analog/digital:

numărul de canale analogice investigate;

frecvența de eșantionare pe fiecare canal;

capacitatea sistemului de realizare în timp real a datelor;

necesitatea condiționării semnalului analogic de intrare;

Un sistem de achiziție este alcătuit din trei componente esențiale:

achiziționarea datelor;

transformarea datelor;

prelucrarea datelor;

Achiziția de date exprimă o ramură a ingineriei ce realizează o colectare de informații de la un număr de surse numerice sau analogice. Conversia se realizează într-o formă digitală prin prelucrarea datelor, stocarea acestora și transmisia datelor.

Achiziția de date este folosită în foarte multe ramuri de activitate în momentul actual:

în industrie:

pentru realizare procesor de calcul de comandă și control;

în cercetări științifice:

pentru măsurarea și prelucrarea unor spectre extrem de vaste de mărimi electrice și neelectrice;

în comunicații:

pentru comanda și controlul liniilor de comunicație;

în calculatoare de bord la majoritatea mașinilor din momentul actul;

Prelucrarea informațiilor pot fi procese simple, până la procese de matematică complexe (integrări, diferențieri, medieri, calcul de transformate Fourier s.a.)

Pentru realizarea acestui proces fizic necesită extragerea informației despre realizarea procesului, utilizând traductoare. La ieșirea traductorului semnalul electric este convertit într-o semnal electric cu parametri diferiți (curent și tensiune) cu ajutorul circuitului de condiționare. Pentru realizarea procesului fizic este nevoie de efectuarea conversiei semnalului analogic în semnal numeric pentru a fi acceptat de sistem. Semnale numerice sunt obținute cu ajutorul prelucrări la un moment de timp de date a valori semnalelor analogice și a conversiei a acestor valori sub formă numerică.

Sistemele de achiziție a datelor se pot clasifica după numărul de prelucrare a datelor:

sisteme monocanal

sisteme multicanal

cu multiplexare analogică

cu multiplexare digitală

Fig. 1.1 Schema bloc a unui sistem de achiziție de date

Sistemele moderne de achiziție au următoare componente:

calculatorul;

traductoare;

echipamente de achiziție a datelor;

programele de achiziție (partea software);

Utilizarea calculatorului pentru achiziția de date poate afecta viteza maximă a achiziției continuă a datelor. O alternativă mult mai bună și mai fiabilă este acea de a utiliza calculatorul portabil.

Un sistem de calcul este alcătuit din următoarele echipamente:

unitatea centrală unde se prelucrează datelor și calculelor;

memoria centrală în realizează păstrarea temporală a datelor;

echipamente periferice necesare pentru introducerea datelor în calculator;

Traductoare constată fenomenele fizice și generează semnalele electrice pe care le măsoară sistemul de achiziție.

Echipamentele de achiziție au rolul de interfață, între mediu extern și calculator, fiindcă realizează semnalul analogic de intrare pentru a putea fi interpretat de calculator.

Specificații de bază pe care le au majoritatea sistemelor de date:

numărul intrărilor analogice;

rată de eșantionare:

cu cât rată de eșantionare este mai mare se realizează mai mute date într-un interval de timp dat și obținându-se o reprezentare a semnalului original;

multiplexare:

se realizarea mai multor măsurări în același timp;

rezoluția:

numărul biților pe care se realizează conversia analog-digital;

domeniul:

diferența de nivel din tensiunea maximă și minimă;

Programele de calcul în împart în trei categorii:

programul sistem:

realizează operațiile făcute de sistem de calcul și realizează legătura între componentele acestuia și sistem de calcul, având rolul de a simplifica sarcină utilizatorului, reducând operațiile de alocare a memoriei;

probleme de aplicație:

interacționează cu utilizatorul direct, fiind menționate în efectuarea unor prelucrări strict definite. In această ramură intră editoare de text și programe de gestionarea bazelor de date;

programul util:

interacționează direct cu utilizatorul, dar acesta realizează prelucrarea de uz general;

Un sistem de achiziție de date grupat cu un sistem de calcul în timp real, are următoarele avantaje:

flexibilitate și adaptabilitate la o mare categorie de situați;

creșterea nivelului de automatizare a operațiilor efectuate;

mai bună precizie la măsurare;

mai bună fiabilitate;

poate realiza procese mai complexe a datelor;

simplificarea proiectări electrice și tehnologice;

1.2 SENZORI ȘI TRADUCTOARE

” Traductorul este un dispozitivul care primește la intrare o mărime fizică de o anumită natură numită parametru de proces și oferă la ieșire un semnal electric calibrat corespunzător unei anumite stări sau situații de măsurat.’’[1]

Fig. 1.2 Structura internă a unui traductor

“Traductoarele electrice se clasifică după următoarele criterii:

după natura mărimi fizice neelectrice de intrare: pentru semnale radiante: termice; chimice, mecanice, magnetice.

după modul de transformare a semnalului: directe și complexe;

Traductoarele modulatoare realizează variația mărimi neelectice de la intrare într-o variație a unu parametru electric, necesitând o sursă de energie auxiliară.”[2]

’’Traductoarele energetice realizează mărimile neeletrice de intrare într-o tensiune/curent sau o sarcină electrică fără a fi nevoie de o sursă auxiliară de tensiune.

după forma semnalului electric de ieșire: analogic și numeric;

Principale grupe de traductoare de curent și tensiune cu izolare glavana de LEM sunt:

traductoare cu efect hall cu buclă închisă;

traductoare cu efect hall cu buclă deschisă;

traductoare buclă închisă;

traductoare buclă deschisă;

Efectul Hall este cauzat de forța Lorentz care acționează asupra purtătorilor de sarcina electrică mobili dintr-un conductor, atunci când acesta este supus unui câmp magnetic perpendicular pe direcția curentului. Presupune o placă subțire de material semiconductor traversată longitudinal de un curent de control IC. Fluxul magnetic B generează o forță Lorentz FL perpendicular pe direcția purtătorilor de sarcină mobili ce compun curentul.

Fig. 1.3 Principiul de functionare a traductoarelor in buclă deschisă

Traductoarele de curent cu efect Hall în buclă deschisă inducția magnetică B este generată de curentul primar de măsură și este proporțională cu el în zona liniară a ciclului de histerezis. În cazul creștere curentului poate apărea o eroare numită offset magnetic, care este maximă dacă circuitul magnetic a fost saturat.

Fig. 1.4 Principiul de functionare a traductoarelor in buclă inchisă

Traductoarele de curent cu efect Hall, în buclă închisă, numite și cu flux zero, au un circuit de compensare integrat prin care performanțele traductorului se îmbunătățesc.

Traductoarele în blucă închisă furnizează un curent secundar, care acționează ca o reacție pentru compensarea inducției create de curentul primar.”[3]

’’La un traductor dispozitivul de bază este senzorul, care este capabil să convertească o mărime neelectrica într-o mărime electrică și să o realizeze în concordanță cu un algoritm dat, avand scopul de a da o ieșire ușor interfatabila cu un sistem de calcul.

Senzorul selectează doar mărimi de intrare X, eliminând sau reducând la minim influențele celorlalte mărimi fizice existente în mediul respectiv.Sub acțiunea mărimii de intrare are loc o modificare de stare a elementului sensibil, modificare ce se manifestă sub forma unui semnal la ieșirea senzorului.

Senzori și traductoarele pot fi clasificați în raport cu caracteristicile lor de intrare/ieșire.

Corespunzător mărimii fizice de intrare, aceste dispozitive pot fi:

absolute:

când pentru o origine fixată, oricare ar fi valoarea semnalului electric de ieșire poate reprezenta toate valorile posibile ale semnalului de intrare;

incrementale:

când o origine nu poate fi fixată, oricare ar fi valoarea semnalului fizic de intrare, fiecare punct de măsură fiind luat drept origine pentru următorul punct de măsură. ’’[1]

Rolul adaptorului electronic de semnal este de a converti marimea generata de senzor in semnal electric la iesirea traductorului electronic. In scopul standardizarii echipamentelor de automatizare si a sistemelor de achizitie de semnale, adaptoarele electronice dau la iesire semnale electrice unificate, adica tensiuni sau curenti electrici intre limitele: 0 .. + 10Vcc, -5 .. +5Vcc, -10 .. + 10Vcc sau 2 .. 10mAcc, 4 .. 20mAcc, indiferent de natura si domeniul de variatie al marimii de intrare in traductor. In cazul semnalelor de iesire unificate in curent, se impun game de variatie cu limita inferioara diferita de zero, pentru a evita situatia când la marime eelectricade intrare zero corespunde curent zero la iesire, caz care poate aparea si la defecte. Etajele de iesire ale adaptoarelor electronice sunt similare pentru acelasi tip de semnal unificat. Diferentierile importante sunt la circuitele de intrare, unde se primesc de la senzori semnale diversificate ca natura fizica si gama de variatie

.

1.3 PARTICULARITĂȚI ALE SISTEMELOR DE ACHIZIȚII DE DATE UTILIZATE ÎN REȚELELE ELECTRICE

Transformatoarele de masura sunt aparate electrice care transforma parametrii electrici tensiune si curent, miscorandu-i de un numar de ori in vederea masurarii facile a lor.

Pentru o buna exploatare a sistemelor energetice se impune utilizarea unor aparate de masura a marimilor electrice (curent, tensiune, putere, frecventa etc.), respectiv a unor aparate de protectie pentru a se asigura functionarea corecta in regim anormal de lucru sau in caz de avarie. In ambele situatii este necesara utilizarea transformatoarelor de masura ce sunt responsabile de transformarea valorilor curentului si a tensiunii din circuitele primare in valori convenabile in circuitele secundare (de regula 1, 2 sau 5A pentru curent, respectiv 100V pentru tensiune).

Transformatoarele de curent se inseriaza in circuitele primare ale instalatiilor electrice, iar infasurarile secundare se utilizeaza pentru alimentarea bobinelor de curent ale aparatelor de masurat sau ale aparatelor de protectie si reglare.

In mod normal transformatoarele de masura lucreaza intr-un regim apropiat de cel de scurtcircuit, ceea ce face ca in cazul intreruperii accidentale a circuitului secundar sa creascu sensibil fluxul si tensiunea secundara, transformatorul supraincalzindu-se si determinand astfel pericolul strapungerii izolatiei, implicit crescand riscul aparitei unui accident prin soc electric (electrocutare).

Transformatoarele de tensiune de masura au rolul de a schimba intr-un anumit raport tensiunea aplicata infasurarii primare, astfel incat in secundar sa se obtina o tensiune convenabil a fi masurata (de regula 100V). Din punct de vedere al modului de conectare, transformatoarele de tensiune se conecteaza in paralel cu circuitul in care se doreste achizitia tensiunii de masurat.

O caracteristica importanta a transformatoarelor de masura este aceea ca defazajul dintre marimile din primar respectiv secundar este un unghi apropiat de zero.

CAP. 2 FORMULAREA PROBLEMEI

În ultimile decenii industria la nivel mondial a trecut prin faze de modernizare uimitoare datorită dinamicii deosebite de dezvoltare a noilor tehnologii și, deopotrivă, a necesității de scădere a costurilor de producție prin micșorarea volumului de manoperă. Trendul accentuat de reducere a prețurilor a impus și luarea de măsuri de reducere a consumurilor energetice și de eliminare pe cât posibil a tuturor cheltuielilor energetice inutile. Toate aceste aspecte presupun utilizarea atât pentru analiză cât și pentru mentenanță a unor echipamente complexe de achiziție și monitorizarea a rețelelor electrice.

În acest context se încadrează și tema prezentului proiect, al cărui obiectiv principal constă în dezvoltarea modulelor specifice unui astfel de sistem de achiziție de date, sistem realizat în jurul unui microcontroler RISC (fig. 2.1).

Fig. 2.1 Schema bloc a sistemului de achiziție a datelor

Blocul principal al echipamentului este microsistemul sau unitatea centrală dezvoltată în jurul microcontrolerului PIC18F8722.

Alte module componente ale sistemului de achiziție sunt:

modulul ce conține traductoarele de curent;

modulul ce conține traductoarele de tensiune;

blocurile de adaptare a semnalelor.

Modulul traductoarelor de curent este responsabil de transformarea curenților de măsură de pe fiecare dintre cele 3 faze (ce pot varia în gamă 0..5Aca) în semnale de curent slab, ce pot fi achiziționate ușor și fără a exista riscuri de șoc electric sau de propagare defectuoasă în caz de funcționare anormală (traductorii de curent au izolare galvanică). Semnalele ce rezultă după traductorii de curent sunt semnale de tensiune cu valoarea RMS maximă de 500mVca.

Un rol și o funcționare similară o are și modulul traductoarelor de tensiune, însă, în acest caz parametrii de măsurat sunt tensiuni ce variază în domeniul 0..100Vca. Și în această situație este prezentă izolarea galvanică. Nivelul tensiunilor rezultate variază în condiții nominale de funcționare în domeniul 0..400mVca, valoare RMS.

Semnalele de curent slab (ieșirile din modulele de traductare) sunt prelucrate apoi prin intermediul blocurilor de adaptare a semnalelor rezultând la ieșirile acestora imaginea în curent continuu, semnal unificat (4..20mA) a valorilor RMS a curenților respectiv tensiunilor din sistemul trifazat. Aceste semnale sunt apoi achiziționate prin intermediul unității centrale, convertite digital, prelucrate soft și trimise prin portul serial, într-un anumit protocol, în afara sistemului de achiziție.

CAP. 3 STRUCTURA HARDWARE A ECHIPAMENTULUI DE ACHIZITIE

3.1 UNITATEA CENTRALĂ A SISTEMULUI

Unitatea centrală a sistemului de achiziție este realizată în jurul unui microcontroler RISC cu performanțe ridicate – PIC18F8722 (Microchip).

PIC18F8722 face parte din familia care îi poartă numele, acest microcontroler fiind cel mai complex. Familia PIC18F8722 conține 8 microcontrolere (tabelul 3.1.1).

Tabelul 3.1.1 Specificatiile microcontrolerelor din familia PIC18F8722

Câteva dintre caracteristicile inportante ale familiei sunt:

management energetic complex:

în modul RUN: CPU – ON, periferice – ON;

în modul Idle: CPU – OFF, periferice – ON;

în modul Sleep: CPU – OFF, periferice – OFF;

curent de menținere foarte scăzut (50 nA);

curent în modul RUN: 25 A;

curent în modul Idle: 6,8 A;

curent în modul Sleep: 120 nA;

structura flexibilă a circuitului oscilator:

patru moduri de operare, ajungându-se la o frecvență de 40MHz;

PLL multiplicator cu 4 pentru oscilator intern și cuarț extern;

bloc oscilator intern ce permite:

ieșire rapidă din modurile Idle și Sleep: tipic 1 s;

furnizează un domeniu complet de frecvențe de oscilație, de la 31 kHz la 32 MHz când se utilizează PLL;

ajustarea de către utilizator pentru compensarea derivei de frecvență;

microcontrolerul are un oscilator secundar utilizând Timer1 la 32 kHz;

periferice cu specificații superioare:

curent mare de scurgere / sursă pentru porturile I/O: 25 mA / 25 mA;

trei întreruperi externe programabile;

patru întreruperi pe modificarea intrărilor;

modul Enhanced Capture/Compare/PWM (ECCP):

una, două sau patru ieșiri PWM;

timp mort programabil;

funcții auto-shutdown și auto-restart;

până la 2 module Capture/Compare/PWM (CCP), unul cu auto-shutdown;

modul MSSP (Master Synchronous Serial Port) ce suportă SPI pe 3 fire și I2C modurile Master și Slave;

modul USART cu adresare îmbunătățită:

suportă RS-485, RS-232 și LIN/J2602;

operează cu RS-232 utilizând oscilatorul intern (nu este necesar cuarț extern);

până la 16 canale A/D de 10 biți, conversia fiind disponibilă și în modul Sleep;

modul HLVD programabil pe 16 nivele;

caracteristici speciale ale familiei:

arhitectura optimizată pentru utilizarea limbajului C;

acceptă până la 100.000 cicluri de ștergere / scriere a memoriei program Flash;

acceptă până la 1.000.000 cicluri de ștergere / scriere a memoriei de date EEPROM;

timp mare de retenție (tipic 100 ani) pentru memoria Flash (program), respectiv EEPROM (date);

permite auto-programarea sub control software;

întreruperile sunt organizate pe nivele de prioritate;

are inclus bloc multiplicator 8×8 realizând multiplicarea într-un singur ciclu mașină;

are un timer de tip watch-dog avansat (perioada poate fi programată între 4 ms și 131 s);

ICSP (In-Circuit Serial Programming) prin intermediul a 2 pini utilizând o singură sursă de alimentare de 5 V;

ICD (In-Circuit Debug) prin intermediul a 2 pini;

domeniu larg a tensiunii de alimentare (între 2 și 5,5 V).

Microcontrolerul PIC18F8722 este realizat în capsulă TQFP de 80 pini (fig. 3.1.1).

Pentru a se acoperi întreaga funcționalitate a microcontrolerelor din această familie și nu numai, o parte dintre funcțiile disponibile la pinii microcontrolerelor sunt multiplexate. În ceea ce privește aplicația de față, acest lucru nu prezintă o importanță deosebită (în sensul dezavantajelor), datorită multitudinii de porturi I/O de care dispun aceste microcontrolere (9 porturi bidirecționale de I/O – PORTA, PORTB, .., PORTJ; 16 canale de intrare în convertorul A/D al microcontrolerelor; 2 porturi USART avansate; 3 porturi ECCP; 2 porturi CCP; 29 surse de întrerupere, o parte dintre acestea fiind adresabile extern etc.).

Optimizarea arhitecturii microcontrolerelor din această familie pentru programarea în limbaj C (care este limbaj de nivel înalt) reprezintă un mare avantaj ținând cont de faptul că programarea microcontrolerelor RISC în limbaj de asamblare este foarte greoaie în cazul aplicațiilor de complexitate medie sau mare.

Datorită modului de multiplexare a funcțiilor, într-o aplicație trebuie să se țină cont de posibilitățile și necesitățile de lucru simultan cu diferite porturi I/O. Schema bloc a microcontrolerului (fig. 3.1.2) relevă foarte bine componenta și structura internă a microcontrolerului PIC18F8722 precum și modul de interconectare a perifericelor.

Din mulțimea de periferice de care dispune microcontrolerul, foarte importante pentru dezvoltarea aplicației ce face tema proiectului sunt:

porturile I/O;

timerele;

convertorul analog-numeric.

Fig. 3.1.1 Asignarea pinilor la microcontrolerul PIC18F8722

Fiecare port (fig. 3.1.3) are trei regiștri care permit operarea cu acesta:

registrul TRIS (registrul de direcție a datelor);

registrul Port (responsabil de citirea nivelelor logice la pinii microcontrolerului);

registrul LAT (latch ieșire).

Unul dintre porturile de uz general care nu sunt multiplexate intrări ale convertorului A/D, este PORTB, cu regiștrii specifici: PORTB, TRISB, respectiv LATB.

PORTB este un port bidirecțional, de 8 biți. Direcția corespunzătoare a datelor se stabilește prin registrul TRISB. Setarea unui bit din TRISB (=1) va determina ca bitul corespunzător al portului să fie bit de intrare. Ștergerea unui bit din TRISB (=0) determină ca bitul corespunzător al portului să fie bit de ieșire.

Registrul LATB este mapat în memorie, la fel ca și PORTB. Operațiile de tipul citește / modifică / scrie aplicae acestui registru determină citirea și scrierea valorilor de ieșire ale PORTB.

Fiecare dintre pinii PORTB au o slabă polarizare superioară prin rezistențe interne pull-up.

Rezistențele pull-up pot fi activate prin intermediul unui singur bit de control. Acest lucru se poate face prin ștergerea bitului (INTCON2<7>). Rezistențele pull-up sunt dezactivate automat atunci când portul este declarat că fiind de ieșire. Rezistențele de pull-up sunt automat dezactivate la POR (Power-on-Reset).

Fig. 3.1.2 Arhitectura microcontrolerului PIC18F8722

Fig. 3.1.3 Structura porturilor I/O ale microcontrolerului PIC18F8722

Patru dintre pinii acestui port (RB<7:4>) au o caracteristică foarte importantă și anume de generare de întrerupere la schimbarea stării. Doar pinii configurați ca și intrări pot genera întrerupere.

O structură deosebită o au porturile PORTD și PORTE, ce pot funcționa ca PSP (Parallel Slave Port) – fig. 3.1.4.

În modul de operare PSP (PSPMODE este determinat de setarea bitului PSPCON<4>) portul poate fi citit și scris în mod asincron, prin intermediul pinilor de control și (fig. 3.1.5, fig. 3.1.6).

Microcontrolerul PIC18F8722 dispune de 5 timere. O parte dintre aceste timere sunt pe 8 biți, celelalte pe 16 biți.

Timerul TIMER0 are următoarele caracteristici:

modul de operare poate fi selectat software (numărător sau timer, pe 8 sau 16 biți);

regiștrii TIMER0 pot fi atât citiți cât și scriși;

TIMER0 are un prescaler dedicat, configurabil software;

sursa semnalului de ceas poate fi selectată (internă sau externă);

pentru sursă externă se poate selecta frontul;

TIMER0 poate genera întrerupere la depășire.

Registrul de control pentru TIMER0 este T0CON. Prin intermediul lui se pot seta atât modurile de lucru cât și prescaler-ul. În situația în care se dorește operarea pe 8 biți (fig. 3.1.7), bitul T08BIT trebuie setat. În cazul în care acesta este șters, TIMER0 lucrează pe 16 biți (fig. 3.1.8).

Retul biților registrului T0CON sunt responsabili de activarea / oprirea timer-ului, selecția sursei semnalului de ceas, frontul pe care se face tranziția, asignarea prescaler-ului, respectiv selecția prescaler-ului.

.

Fig. 3.1.4 Schema bloc funcționala a porturilor PORTD si PORTE

Fig. 3.1.5 Formele de unda pentru scrierea portului in mod PSP

Fig. 3.1.6 Formele de unda pentru citirea portului in mod PSP

Fig. 3.1.7 Schema bloc a TIMER0 in modul de operare pe 8 biți

Fig. 3.1.8 Schema bloc a TIMER0 in modul de operare pe 16 biți

Convertorul analog / numeric de care dispune PIC18F8722 este pe 10 biți si are 16 canale (fig. 3.1.9). Convertorul dispune de 5 registrii:

ADRESH (registrul superior al rezultatului);

ADRESL (registrul inferior al rezultatului);

ADCON0 (registrul 0 de control);

ADCON1 (registrul 1 de control);

ADCON2 (registrul 2 de control).

Fig. 3.1.9 Structura blocului de conversie A/D a microcontrolerului PIC18F8722

Registrul ADCON0 este responsabil de controlul prin funcții primare de selecție și control a convertorului A/D. Biții 7 și 6 ai acestui registru sunt rezervați, la citire având valoarea 0. Biții 5, 4, 3, 2 sunt dedicați selecției canalului analogic cu care se operează la un moment dat (fig. 3.1.10). Bitul 1 al registrului este un bit de stare având valoarea 1 atunci când conversia este în curs, respectiv valoarea 0 când convertorul este în mod “Idle”. Bitul 0 este utilizat pentru activarea / inactivarea convertorului analogic / digital al microcontrolerului.

Fig. 3.1.10 Modul de selecție a canalului activ al convertorului A/D

(bitii ADCON0<5>. ADCON0<2>)

Registrul ADCON1 este utilizat pentru configurarea functiilor pinilor convertorului A/D. Bitii 7 si 6 sunt rezervati. Bitii 5 si 4 sunt utilizati pentru selectie tipului tensiunii de referinta pentru convertor (3.1.11).

Fig. 3.1.11 Selecția referinței de tensiune pentru convertorul A/D

Biții din tetrada inferioară (3..0) sunt utilizați pentru definirea tipului de semnal (analogic sau digital) pentru pinii corespunzători intrărilor în convertorul A/D (fig. 3.1.12).

Fig. 3.1.12 Selecția modului de lucru a pinilor utilizați ca intrare în convertorul A/D

(1) – intrările 12..15 sunt valabile doar pentru microcontrolerele în capsulă cu 80 de pini

Registrul ADCON2 configurează sursa semnalului de ceas pentru convertorul A/D, timpul de achiziție și modul de aliniere a rezultatului. Dacă bitul 7 este setat rezultatul este aliniat la dreapta. În văzul în care acesta este 0 alinierea se face la stânga. Bitul 6 este rezervat. Biții 5..3 sunt utilizați ca biți de selecție a timpului de achiziție (fig. 3.1.13).

Fig. 3.1.13 Selecția timpului de achiziție

Biții 2..0 permit selecția semnalului de ceas utilizat pentru conversia A/D (fig. 3.1.14).

Fig. 3.1.14 Selectia semnalului de ceas pentru conversia A/D

Unitatea centrală a sistemului de achizitei este construită în jurul microcontrolerului PIC18F8722 (fig. 3.1.15) și, în afară microcontrolerului mai are în componentă:

un convertor DC/DC pentru asigurarea tensiunii de alimentare necesare microcontrolerului și a perifericelor UC-ului;

un circuit de supraveghere a tensiunii de alimentare;

un modul de conversie a semnalelor TTL specifice UART-ului în semnale RS232;

un conector pentru programarea ISP;

conectorii pentru intrările analogice (5V).

Pentru obținerea tensiunii de alimentare a microcontrolerului s-a utilizat convertorul DC/DC S6-2405S5 care convertește o tensiune continuă între 18 și 30Vcc într-o tensiune de 5Vcc. S-a utilizat un astfel de modul pentru a se putea utiliza o sursă de alimentare de 24Vcc, tensiune cvasi-standard în sistemele de automatizare.

Pentru supravegherea tensiunii de alimentare s-a utilizat circuitul specializat MAX811, care generează un semnal de RESET în cazul în care tensiunea de alimentare coboară sub un anumit prag (4.63V în această situație). Utilizarea unui astfel de circuit permite evitarea situațiilor în care tensiunea de alimentare a unui microcontroler este la limită, funcționarea corectă a instrucțiunilor (implicit programul de aplicație) nu mai este garantată. Astfel, fiecare scădere a tensiunii de alimentare (scădere ocazională, accidentală) conduce la RESET-area microcontroler-ului, implicit a programului. Există variante ale acestui circuit care permit RESET-area și la alte praguri de tensiune, extinzându-se, practic, gama de aplicabilitate a acestuia.

Pentru conversia semnalelor TTL în semnale RS232 s-a utilizat convertorul MAX232, în schepa tipică de aplicație. În situația în care tensiunea de alimentare a modulului ar fi fost 3.3V (situație necesitată de periferice, de exemplu), în locul circuitului MAX232 s-ar fi utilizat circuitul MAX3232.

Fig. 3.1.15 Schema electronică a unitatii centrale

3.2 MODULELE DE ADAPTARE A SEMNALELOR

3.2.1 Modulul de adaptare pentru măsură de curent

Modulele de adaptare a curentului sunt realizate în jurul traductoarelor de curent LA55-P, produse de firma LEM.

LA55-P sunt traductoare de curent ce lucrează în buclă închisă și se bazează pentru generarea semnalului de măsură pe efectul Hall.

LA55-P se pretează în cazul aplicațiilor de măsurare a curentului în curent continuu, curent alternativ sau în curent pulsatoriu, cu izolare galvanică între primarul circuitului și secundar.

Câteva dintre caracteristicile ce recomandă utilizarea acestor traductoare într-o gamă largă de aplicații sunt:

acuratețe deosebită;

liniaritate foarte bună;

deviație foarte mică cu temperatură;

timp de răspuns optimizat;

bandă largă de frecvențe;

pierderi scăzute;

imunitate ridicată la interferențe externe;

capabilitate mare de supracurent.

Caracteristicile electrice principale ale acestor traductoare sunt:

curentul nominal în primar (valoare RMS): 50A;

domeniul de măsură pentru curent: 0 .. ±70A;

rezistență de măsură: între 10 și 135Ω funtie de tensiunea de alimentare și temperatura de lucru a traductorului;

curentul nominal în secundar (valoare RMS): 50mA;

raportul de transformare: 1:1000;

tensiunea de alimentare: ±12 .. 15 Vdc.

Gamă largă de aplicații cuprinde următoarele domenii:

variatoare de viteză pentru motoare de curent continuu și pentru servomotoare;

convertoare statice pentru motoare de curent continuu;

aplicații ce impun alimentarea de la baterii;

surse neintreruptibile;

surse în comutație;

surse de alimentare pentru aplicații în sudură etc.

LA55-P este realizat într-o capsulă din material plastic și are 3 terminale (fig. 3.2.1 .. fig. 3.2.3).

Fig. 3.2.1 Traductorul de curent LA55-P

Fig. 3.2.2 Dimensiunile mecanice ale traductorului LA55-P

Fig. 3.2.3 Modul de conectare al traductorului LA55-P

Circuitul pentru măsura curenților pe cele 3 faze ale unei rețele trifazate conține 3 astfel de traductoare de curent, împreună cu un convertor DC/DC cu tensiunea de intrare în domeniul 18 – 36Vcc și cea de ieșire ±15Vcc (fig. 3.2.4)

Fig. 3.2.4 Modulul de adaptare a curenților de măsurat (0..5Aca)

3.2.2 Modulul de adaptare pentru măsură de tensiune

Modulele de adaptare a curentului sunt realizate în jurul traductoarelor de tensiune LV25-P, produse de firma LEM.

LV25-P sunt traductoare de tensiune ce lucrează în buclă închisă și se bazează pentru generarea semnalului de măsură pe efectul Hall.

LV25-P se pretează în cazul aplicațiilor de măsurare a tensiunii în curent continuu, curent alternativ sau în curent pulsatoriu, cu izolare galvanică între primarul circuitului și secundar.

Câteva dintre caracteristicile ce recomandă utilizarea acestor traductoare într-o gamă largă de aplicații sunt:

acuratețe deosebită;

liniaritate foarte bună;

deviație foarte mică cu temperatură;

timp de răspuns foarte mic;

bandă largă de frecvențe;

pierderi scăzute;

imunitate ridicată la interferențe externe;

distorsiuni foarte mici în mod comun.

Caracteristicile electrice principale ale acestor traductoare sunt:

curentul nominal în primar (valoare RMS): 10 mA;

domeniul de măsură pentru curent: 0 .. ±14 mĂ;

rezistență de măsură: între 30 și 190 Ω funtie de tensiunea de alimentare și temperatura de lucru a traductorului;

curentul nominal în secundar (valoare RMS): 25 mA;

raportul de transformare: 2500:1000;

tensiunea de alimentare: ±12 .. 15 Vdc.

Gamă largă de aplicații cuprinde următoarele domenii:

variatoare de viteză pentru motoare de curent continuu și pentru servomotoare;

convertoare statice pentru motoare de curent continuu;

aplicații ce impun alimentarea de la baterii;

surse neintreruptibile;

surse în comutație;

surse de alimentare pentru aplicații în sudură etc.

LV25-P este realizat într-o capsulă din material plastic și are 5 terminale (fig. 3.2.5 .. fig. 3.2.7).

Fig. 3.2.5 Traductorul de tensiune LV25-P

Fig. 3.2.6 Traductorul LA25-P – dimensiuni mecanice

Fig. 3.2.7 Modul de conexiune a traductorului de tensiune LV25-P

Circuitul pentru măsura tensiunilor dintr-o rețea trifazată conține 3 astfel de traductoare de tensiune, împreună cu un convertor DC/DC cu tensiunea de intrare în domeniul 18 – 36Vcc și cea de ieșire ±15Vcc (fig. 3.2.8).

Fig. 3.2.8 Modulul de măsură tensiuni dintr-o rețea trifazată

3.3 MODULUL DE CONVERSIE A SEMNALELOR DE CA IN CC

3.3.1 CONVERTORUL RMS-DC AD736

AD736 (fig. 3.3.1) este un circuit specializat care convertește o tensiune de curent alternativ (true RMS) într-o tensiune de curent continuu. Gamă de măsură a tensiunii aplicate la intrarea convertorului este de 200 mV RMS, însă circuitul poate fi folosit și în cazul unor tensiuni alternative mai mari, prin utilizarea unui atenuator

Fig. 3.3.1 Schema bloc a convertorului AD736

AD736 asigură o eroare maximă de ±0,3mV±0,3% la citire pentru semnale de intrare sinusoidale.

AD736 poate calcula valoarea efectivă atât pentru tensiuni de intrare de curent alternativ, cât și pentru tensiuni de curent continuu.

În afară de precizia ridicată de conversie a acestui circuit, alte caracteristici importante ce îl recomandă într-o gamă variată de aplicații sunt:

convertește valoarea RMS pentru semnale cu factorul de creastă cel mult 5;

acceptă o gamă largă pentru tensiunea de alimentare: între +2.8 V, −3.2 V și ±16.5 V;

putere consumată mică: curentul de alimentare nu depășește 200 Ă;

ieșirea este buffer-ata;

nu sunt necesare ajustări externe pentru a se obține acuratețea specificată a conversiei.

Din punct de vedere al implementării, circuitul AD736 este integrat în capsulă cu 8 pini (PDIP, CERDIP, respectiv SOIC), toți cei 8 pini având funcții unic definite (fig. 3.3.2, tabel 3.3.1)..

Fig. 3.3.2 Configurația pinilor circuitului AD736

Tabelul 3.3.1 Funcțiile pinilor convertorului AD736

Unicitatea funcțiilor definite pentru fiecare pin al circuitului AD736 în parte determină o implementare simplă a circuitului tipic de aplicație (fig. 3.3.3).

Fig. 3.3.3 Schema tipica de aplicatie pentru circuitul AD736

Consumul redus al circuitului AD736, acesta este foarte potrivit aplicațiilor care impun alimentarea de la o sursă autonomă de alimentare (baterie sau acumulator) – fig. 3.3.4.

Fig. 3.3.4 Schema tipica in cazul alimentarii de la baterie / acumulator

În dezvoltarea modulului de conversie din semnal de tensiune de curent alternativ în semnal de măsură de curent continuu s-a ținut cont și de schema electronică a sistemului de evaluare oferit de producătorul circuitului (Analog Devices) – fig. 3.3.5.

Fig. 3.3.5 Placă de evaluare a circuitului AD736 (schema electronică și PCB)

Adaptarea de semnal atât la intrarea cât și la ieșirea circuitului presupune utilizarea unor amplificatoare operaționale cu zgomot redus (pantru atenuare la intrare, respectiv amplificare la ieșire). Pentru implementare s-a utilizat amplificatorul operațional OP07.

3.3.2 AMPLIFICATORUL OPERATIONAL OP07

Amplificatorul operațional OP07 (fig. 3.3.6, fig. 3.3.7) este un circuit recomandat în multe aplicații datorită caracteristicilor deosebite pe care le are relativ la prețul sau:

valoarea tensiunii de offset este foarte scăzută (max. 75 V);

zgomot redus (max. 0.6 V vârf la vârf);

gamă largă a tensiunii de alimentare (de la ±3 V la ±18 V);

domeniu larg al tensiunii de intrare (± 14 V tipic);

stabilitate foarte bună în timp (max. 1,5 V pe lună).

Fig. 3.3.6 Amplificatorul operațional OP07

Fig. 3.3.7 Schema interna simplificata a operaționalului OP07

În circuitele electronice de condiționare a semnalelor au fost folosite scheme tipice ale amplificatoarelor operaționale: repetoare (fig. 3.3.8), amplificatoare neinversoare (fig. 3.3.9), respectiv amplificatoare inversoare (fig. 3.3.10).

Fig. 3.3.8 Repetor de semnal realizat cu amplificator operațional

Fig. 3.3.9 Amplificator neinversor realizat cu amplificator operațional

Fig. 3.3.10 Amplificator inversor realizat cu amplificator operațional

Datorită faptului că schema proiectată necesită reglarea domeniului de măsură, pentru implementare s-a utilizat schema tipică de control liniar al câștigului pentru amplificatoarele realizate cu operatiobnale (un exemplu de astfel de circuit este prezentat în fig. 3.3.11).

Fig. 3.3.11 Amplificator inversor cu reglaj liniar al câstigului

Pentru o bună imunitate la zgomot, în specificațiile inițiale de proiectare a modulelor de condiționare a semnalelor s-a luat în considerare transformarea unui semnal de măsură (fie el de tensiune sa de curent) într-un semnal unifiat (4..20mA). În acest senă, s-a utilizat circuitul convertor AD694, responsabil de conversia semnalului de tensiune de măsură (obținut după circuitul AD736) în semnal unificat (4..20mA).

3.3.3 Convertorul de semnal AD694

AD694 (fig. 3.3.12) este un circuit de transmisie în curent a semnalelor. Circuitul acceptă nivele ridicate de tensiune la intrare (2V sau 10V, setabil hardware), tensiunea aplicată la intrare fiind convertită în curent, semnal unificat, cu variație în domeniul 0..20 mA sau 4..20 mA.

Fig. 3.3.12 Schema funcțională bloc a circuitului AD694

Câteva dintre caracteristicile principale ce recomandă circuitul AD694 sunt:

AD694 este un convertor complet din tensiune în curent, semnal unificat (4..20mA);

domeniile de intrare sunt precalibrate și pot fi configurate prin intermediul unui pin al circuitului (0..2V sau 0..10V);

limita inferioară de 4mA poate fi comutată prin intermediul unei intrări TTL, astfel încât să se poată utiliza simplu domeniul 0..20 mĂ în locul celui de 4..20 mĂ;

circuitul are un pin de defect, ieșirea fiind de tip NPN-OC.

AD694 poate fi configurat prin intermediul a 3 pini în 8 moduri de lucru (tabelul 3.3.2).

Tabelul 3.3.2 Modul de configurare hardware a domeniilor precalibrate pentru AD694

Schema tipica minimală contine doar cateva elemente pasive de circuit in afara lui AD694 (fig. 3.3.13).

Fig. 3.3.13 Circuitul minimal de conversie a unei tensiuni variabile

in gama 0..10 V in curent (4..20 mA)

Acest circuit recomandat de producător a fost utilizat și în modulul de conversie a semnalului atât pantru circuitele de măsură curent cât și pentru cele de măsură tensiune.

În cazul în care se impune utilizarea ieșirii de defect, aceasta se recomandă a se buffer-a printr-o poartă TTL inversoare, intrare acesteia fiind legată la +5V prin intermediul unei rezistențe pull-up de 20k, respectiv la pinul 10 al circuitului AD694 (fig. 3.3.14).

Fig. 3.3.14 Utilizarea ieșirii de defect a circuitului AD694

Ținând cont de toate specificațiile componentelor s-au schemele finale de conversie a semnalelor de măsură în curent, semnal unificat (fig. 3.3.15, fig. 3.3.16).

Fig. 3.3.15 Schema electronică a modulului de măsură a curentului

Pentru obținerea tensiunii diferențiale de alimentare s-au utilizat convertoare DC/DC cu ieșire duală. Tensiunea de intrare a acestora s-a ales astfel încât modulele să se poată alimenta la 24Vcc, tensiune utilizată pe scară largă în sistemele industriale de monitorizare, achiziție și control.

Fig. 3.3.16 Schema electronică a modulului de măsură a tensiunii