ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 40-45
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ^^^^^^^^ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 539.1.074.3
СИСТЕМА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГАММА-ДЕТЕКТОРА УСТАНОВКИ СВД
© 2014 г. В. Ф. Головкин, С. Н. Головня, С. А. Горохов, Е. А. Устинов
ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий" Россия, 142281, Протвино Московской обл., пл. Науки, 1 E-mail: sgorokhov@mail.ihep.ru Поступила в редакцию 13.03.2013 г. После доработки 11.07.2013 г.
Представлены результаты модернизации системы управления перемещением гамма-детектора установки СВД (спектрометр с вершинным детектором). Обоснован выбор элементной базы для создания интерфейса управления, датчиков измерения координат, исполнительных устройств и системы аварийной блокировки. Описаны схемотехнические решения, позволившие повысить надежность работы гамма-детектора и точность его позиционирования. В системе использованы серийные промышленные контроллеры асинхронных электродвигателей с частотным управлением. Описано разработанное программное обеспечение для управления перемещением гамма-детектора. Система полностью смонтирована, испытана и готова к работе в составе установки СВД.
DOI: 10.7868/S0032816214020062
ВВЕДЕНИЕ
В ГНЦ ИФВЭ создан уникальный комплекс — спектрометр с вершинным детектором (СВД). В состав комплекса входит экспериментальная физическая установка — гамма-детектор. Для калибровки фотоумножителей гамма-детектора, установленных на многотонной платформе, их необходимо перемещать в двух ортогональных плоскостях на большие расстояния до 2000 мм и позиционировать по заданной координате с погрешностью не более 1 мм. В режиме калибровки необходимо измерять и обрабатывать информацию с 1536 детекторов, что требует создания автоматизированных позиционных систем с микропроцессорным управлением и э.в.м. верхнего уровня. Для реализации этих требований установки необходимо оснащать гибкими и универсальными аппаратно-программными средствами: датчиками с абсолютным отсчетом координат, амплитудно-частотными преобразователями, микропроцессорными контроллерами, прикладным программным обеспечением.
Применение вышеперечисленных средств позволяет снизить количество электронных комплектующих, уменьшить габариты управляющего комплекса, сократить сроки на разработку и создание автоматизированных экспериментальных установок.
СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОЗИЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Структурная схема автоматизированной системы перемещения платформы гамма-детектора установки СВД приведена на рис. 1.
В систему входят:
— платформа с технологическими и аварийными концевыми выключателями;
— автоматы защиты трехфазной сети с электромагнитными расцепителями и указателями наличия фаз;
— асинхронные электродвигатели (АД), перемещающие платформу по ортогональным координатам X и У;
— датчики с абсолютным отсчетом координат и линии связи отсчетно-измерительной системы перемещения;
— силовые модули частотного управления асинхронными двигателями;
— контроллер с интерфейсными модулями связи, алфавитно-цифровым дисплеем и пультом управления;
— персональный компьютер (РС).
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАТФОРМЫ
Конструктивно платформа состоит из кассеты с 1536 детекторами и массивной рамы. Платформа установлена на две колесные пары и перемещается в горизонтальной плоскости (координата Х) по рельсам посредством ходового винта и гай-
Рис. 1. Структурная схема. ИП — источник питания 48 В; С10, С25, С32 — элементы защиты; МП12 — магнитный пускатель; ЖКИ — жидкокристаллический индикатор; АД — асинхронный двигатель; Р — редуктор; ATmega64 — микроконтроллер; AFM60 — датчик абсолютного отсчета координаты; ESMD — частотный преобразователь; КВТ — концевой выключатель технологический; КВА — концевой выключатель аварийный; FTDI — микросхема USB-преобразова-теля.
ки. Винт приводится во вращение асинхронным двигателем. Угол поворота винта измеряется датчиком. Кассета, установленная на платформе, перемещается в вертикальном направлении (ось У) посредством двух ходовых винтов. В данной конструкции вращающий момент АД преобразуется в
поступательное движение кассеты посредством зубчатого редуктора Р и силовой винтовой пары (винт—гайка). Угол вращения гайки измеряется аналогичным датчиком координаты Х.
Пределы перемещения платформы ограничиваются технологическими (КВТ) и аварийными
Наименование параметра Координата X Координата Y
Максимальное количество счетчиков 1536, шт. 48 32
Пределы перемещения платформы, мм 2400 1800
Скорость перемещения, мм/с 2.5 2.75
Погрешность позиционирования, мм ±0.5 ±0.5
Единица отсчета датчика перемещения, ед/мм 342 320
Передаточное число зубчатого редуктора 30 160
Шаг ходового винта, мм 3 16
Масса перемещаемых конструкций платформы, кг 17000 7000
Момент сопротивления, Н ■ м 3 вверх 10/вниз 3.6
Мощность электродвигателя, кВт 0.75 5.5
Рис. 2. Блок-схема программы контроллера.
путевыми выключателями (КВА). Основные параметры платформы приведены в таблице.
ОТСЧЕТНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
Для измерения координат платформы в ортогональных направлениях Y и Х применены опто-электронные датчики угловых перемещений абсолютного отсчета AFM60. В датчиках используется одношаговое кодирование (код Грея), поэтому ошибка при сканировании не превышает одного младшего разряда. При отключении питания информация о положении объекта сохраняется и при включении может быть считана контроллером системы управления. Обмен информацией между датчиком и контроллером происходит через синхронный последовательный интерфейс (SSI).
годаря их надежности, большому сроку службы, минимальному обслуживанию в процессе эксплуатации и низкой стоимости. Для регулирования скорости вращения этих двигателей применены промышленные частотные преобразователи SMD552 и SMD751 фирмы Lenze.
Частотные преобразователи оснащены трехфазными полумостовыми модулями, токовыми датчиками фаз и микропроцессорной системой. Они позволяют формировать скалярный закон управления асинхронным двигателем (сохранять постоянным отношение линейного напряжения обмотки возбуждения к частоте этого напряжения U/f = ranst), вести мониторинг, сохранять номинальный момент двигателя при изменении числа оборотов в диапазоне 10, защищать двигатели от перегрузки по току и перегреву.
СИЛОВЫЕ МОДУЛИ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Асинхронные трехфазные двигатели с корот-козамкнутым ротором широко применяются в различном технологическом оборудовании бла-
ОРГАНИЗАЦИЯ СВЯЗИ КОНТРОЛЛЕРА С ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ТИПА SMD
Для программного задания команд, параметров настройки (конфигурирования), координат
C32 C10 C25 Выбор Пуск Выбор Выбор
координаты режима направления
Рис. 3. Внешний вид передней панели каркаса управления.
перемещения и мониторинга оборудования созданы аппаратно-программные средства, которые обеспечивают передачу информации от микроконтроллера к частотным преобразователям по последовательной линии связи MODBUS RTU— RS-485. Подробное описание сети MODBUS можно найти в [1]. Порт RS-485 и промышленный протокол MODBUS RTU позволяют по двухпроводной линии объединять в сеть до 32 частотных преобразователей серии SMD.
КОНТРОЛЛЕР УПРАВЛЕНИЯ
Контроллер управления (далее контроллер) служит для опроса датчиков положения, выработки команд в стандарте RS-485 для частотных преобразователей, связи с РС по интерфейсу USB и отображения текущей информации на экране индикатора. Контроллер собран на основе микроконтроллера ATmega64.
Главными достоинствами этого микроконтроллера являются дешевизна, высокая производительность, простота программирования, наличие компиляторов и большого количества готовых библиотек в свободном доступе. Полную документацию по микроконтроллеру можно посмотреть в [2]. Особенности программирования данного микроконтроллера хорошо описаны в [3].
Контроллер непрерывно опрашивает состояние концевых выключателей и датчиков положения. Информация от датчиков, полученная в коде Грея, преобразуется в бинарный код, записывается в выходной регистр и выводится на экран индикатора. На рис. 2 показана блок-схема работы контроллера.
Связь с РС осуществляется при помощи преобразователя USB-протокола в FIFO фирмы FTDI. Микросхема преобразователя FT245BM — эф-
фективное и недорогое средство организации передачи данных от периферии к компьютеру и обратно со скоростью до 8 Мбит/с. Ее простая структура позволяет организовать взаимодействие с практически любым микроконтроллером или микропроцессором через порты входа/выхода.
Передача данных от периферийных устройств осуществляется по восьмиразрядной параллельной двунаправленной шине данных (DO—D7). Для передачи данных от периферии к компьютеру достаточно записать байт данных в буфер. Если объем буфера (384 байта) переполнен или идет процесс сохранения предыдущего байта, устройство приостановит запись, уровень сигнала TXE останется высоким пока информация не будет передана по USB на компьютер.
При передаче данных от РС к периферийному устройству по USB микросхема FT245BM сообщит о наличии в приемнике данных для передачи. Чтение данных из буфера FIFO продолжается до тех пор, пока управляющий вывод RXF активен. RXF подключен к выводу прерывания контроллера, при получении прерывания контроллер считывает буфер данных и записывает полученную команду в регистр. Контроллер также передает результат выполненной команды, если FT245BM готова его прочитать.
Стандартный набор команд частотного преобразователя хранится во флэш-памяти контроллера. При вызове подпрограммы MODBUS к стандартной команде добавляется номер устройства и вычисляется контрольная сумма CRC16. Сформированная посылка отправляется частотному преобразователю через USART контроллера. Далее контроллер обнуляет входной буфер данных и счетчик событий, запускает таймер на 4 мс и если ответа нет (т.е. таймер отсчитал 4 мс, выработал прерывание, а приемный буфер пуст), то сообще-
ние считается потерянным и выдается сообщение об ошибке. В этом случае передача повторяется.
Если ответ получен, то вырабатывается прерывание от USART По прерыванию контроллер читает принятый байт данных, записывает его в приемный буфер, инкремент
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.