VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS
JEDNODUCHÝ AGROPOČÍTAČ SIMPLE AGROCONTROLLER
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE
MICHAL PELIKÁN
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2014
doc. Ing. MILOSLAV STEINBAUER, Ph.D.
ABSTRAKT Jednoduchý agropočítač je realizace řídícího počítače postřikového stroje v zemědělské technice. Úvod popisuje typy jednotlivých postřikovačů a jejich hlavní rozdíly. Hydraulické schéma zobrazuje rozložení regulátorů, ventilů, hadic apod. Kapitola Požadavky definuje potřebné funkce a proměnné. Další kapitola vysvětluje strukturu rozložení jednotlivých částí agropočítače. Následně definuje požadované funkce a vlastnosti těchto částí pomocí reálných obvodů a součástek a metody získávání potřebných hodnot. Praktická ukazuje, jak vypadají desky plošných spojů a jsou popsány funkce a vlastnosti agropočítače.
KLÍČOVÁ SLOVA Postřikovač, agropočítač, zemědělská technika, regulátor, ventil, hydraulické schéma
ABSTRACT Simple agrocontroller is a realization of control computer of spray machine in agriculture technique. Introduction describes the types of individual sprayers and their main differences. Hydraulic scheme displays the layout of regulators, ventils, hosepipes etc. Chapter Requirements defines needed functions and variables. Next chapter explains the structure of the layout of agrocontroller´s individual parts. Also defines required functions and features of these parts with real circuits and components and methods of gaining required values. Practical part show how printed circuits boards look like and what are features and properities of agrocontroller.
KEYWORDS Sprayer, agrocontroller, agriculture, regulator, ventil, hydraulic scheme
PELIKÁN, M. Jednoduchý agropočítač. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2014. 37 s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D.
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Jednoduchý agropočítač jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a/nebo majetkových a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. V Brně dne ..............................
.................................... (podpis autora)
PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé bakalářské práce.
V Brně dne ..............................
.................................... (podpis autora)
Obsah Seznam obrázků
vi
Seznam tabulek
vii
1
Úvod do postřikovačů 1.1
Rosiče........................................................................................................ 8
2
Hydraulické schéma postřikovače
3
Požadavky na zařízení 3.1
4
9 10
Definice proměnných .............................................................................. 10
Funkce a vlastnosti 4.1
12
Regulace průtoku .................................................................................... 13 4.1.1 Metoda otevřeného regulačního obvodu 14 4.1.2
5
8
Metoda uzavřeného regulačního obvodu
15
4.2
Řídící jednotka ........................................................................................ 16 4.2.1 CPU kabina a postřikovač 16
4.3
Displej ..................................................................................................... 16
4.4
Datová komunikace ................................................................................ 17
4.5
Ovládací klávesnice ................................................................................ 18
4.6
Snímač otáček ......................................................................................... 19
4.7
Čidlo tlaku............................................................................................... 20
4.8
Čidlo průtoku .......................................................................................... 21
4.9
Ovládání značkovače .............................................................................. 22
4.10
Obvod reálného času ............................................................................... 22
4.11
Centrál Stop ............................................................................................ 22
Praktická část
22
5.1
Popis funkcí a provozu ........................................................................... 22
5.2
Program ................................................................................................... 23
5.3
Schémata a desky plošných spojů ........................................................... 25
Závěr
28
Literatura
29
6
iv
Seznam symbolů, veličin a zkratek
31
Seznam příloh
32
v
Seznam obrázků Obr. 1:
Postřikovač tažený traktorem (převzato z [1]) ............................................... 8
Obr. 2:
Příklad rosiče při práci na vinici (převzato z [1]) .......................................... 9
Obr. 3:
Schéma dvoucestné instalace potrubí: 1 nádrž, 2 uzavírací ventil nádrže, 3 filtr, 4 membránové čerpadlo, 5 škrtící ventil, 6 tlakoměr, 7 pojistný tlakový ventil, 8 elektrický regulační ventil, 9 elektrické kulové ventily, 10 rámy sekcí (upraveno [3]) ........................................................................... 10
Obr. 4:
Názorné zobrazení zjednodušeného modelu postřikovače .......................... 11
Obr. 5:
Schéma komunikace jednotlivých funkčních částí ...................................... 12
Obr. 6:
Přechodová charakteristika metody otevřeného regulačního obvodu (převzato [21]) ............................................................................................. 15
Obr. 7:
Přechodová charakteristika metody uzavřeného regulačního obvodu (převzato [21]) ............................................................................................. 15
Obr. 8:
Mikrokontrolér ATmega16 na desce plošného spoje (upraveno [7]) .......... 16
Obr. 9:
Ukázka displejů řady 203, vlevo nahoře DIP203G-4-NLED, uprostřed DIP203B-4NLW, vpravo nahoře DIP203J-4NLW (převzato z [8]) ............ 17
Obr. 10:
Rrealizace RS-485 pomocí MAX489 (převzato z [11]) .............................. 18
Obr. 11:
Příklad maticové klávesnice (převzato z [12])............................................. 19
Obr. 12:
Příklady induktivních snímačů otáček (převzato z [14]) ............................. 20
Obr. 13:
Použitý typ tlakového čidla (převzato z [20]) .............................................. 20
Obr. 14:
(vlevo) Příklad průtokového čidla bez pohyblivých částí (převzato z [16]), (uprostřed) jazýčkové průtokové čidlo (převzato z [17]), (vpravo) turbínkové průtokové čidla (převzato z [18]) .............................................. 21
Obr. 15:
Použitý typ lopatkového průtokového čidla (převzato z [19]).................... 21
Obr. 16:
Rozložení ventilů a přívodů ......................................................................... 23
Obr. 17:
Přívody postřiku ........................................................................................... 23
Obr. 18:
Vývojový diagram programu obsluhujícího postřikovač ............................ 24
Obr. 19:
CPU Kabina – schéma zapojení ................................................................... 25
Obr. 20:
CPU postřikovač – schéma zapojení............................................................ 26
Obr. 21:
Osazená deska Postřikovač (přední strana).................................................. 27
Obr. 22:
Osazená deska Postřikovač (přední strana).................................................. 27
vi
Seznam tabulek Tab. 3.1:
Příklad mezních hodnot běžně požívaných u postřikovačů a výpočet průtoku postřikové jíchy ............................................................................................ 12
Tab. 4.1.1: Nastavení metody otevřeného regulačního obvodu .................................... 15 Tab. 4.1.2: Nastavení metody uzavřeného regulačního obvodu ................................... 15
vii
1
Úvod do postřikovačů
Zemědělské plodiny chráníme proti škůdcům, plevelu a chorobám, toho lze dosáhnout přirozenými ochrannými postupy: správnou volbou plodiny podle prostředí, střídáním plodin a jejich odrůd, správným obděláváním půdy a přípravou k setí, dobou setí, správnou hloubkou a hustotou setí, údržbou okolních polí (okrajů pozemků), hnojením. I po dodržení všech přirozených postupů obhospodařování půdy to nemusí vždy stačit, aby bylo možné dosáhnout dostatečných výnosů je vhodné využívat chemické postřikovače pro ochranu plodin. Používají se jako prevence v ochraně plodin a druhotně jako léčba poškozených nebo infikovaných rostlin. Ochrana rostlin pomocí chemických postřiků nesmí ohrožovat životní prostředí, okolní pozemky, poškozovat ochraňované plodiny špatnou směsí nebo koncentrací. [1] Účinná látka (tzv. postřiková jícha) je nasávána přes filtr výkonným čerpadlem z nádrže s jíchou a pod tlakem dopravována tlakovými hadicemi přes uzavírací a regulační ventily k rámům jednotlivých postřikovacích sekcí až k tryskám (viz Obr. 3). Vytvořený tlak a vysoká rychlost proudící jíchy ve výstřikovém otvoru trysky způsobuje náraz na okolní vzduch nebo pevnou nárazovou destičku trysky. Dochází k vytvoření malých kapiček ve tvaru tzv. výstřikového paprsku (viz Obr. 1). Řada trysek na postřikovém rámu vytváří postřikovou clonu, která dopadá směrem na ošetřovanou plodinu. Průměrná velikost částic se pohybuje okolo 0,15 až 0,5mm. [2]
Obr. 1:
1.1
Postřikovač tažený traktorem (převzato z [1])
Rosiče
Pracují na podobném principu jako postřikovače. Účinná látka rozpuštěná ve vodě je pod tlakem přiváděna do rosících rozptylovačů, kde dochází stejným způsobem jako u postřikovače k vytvoření výstřikového paprsku a výstřikové clony. Působením proudu vzduchu od výkonného ventilátoru dochází k dostatečnému tříštění kapek a jejich unášením do prostoru nebo do prostoru ošetřované rostliny (chmelnice, vinice, sady) (viz. Obr. 2). Rosič je kombinací postřikovače a ventilátoru, paprsek je vytvářen
8
vzduchem pod tlakem. Průměrná velikost částic se pohybuje okolo 0,05 až 0,15mm. [2]
Obr. 2:
2
Příklad rosiče při práci na vinici (převzato z [1])
Hydraulické schéma postřikovače
Hydraulické schéma znázorňuje rozložení hadic, regulačních prvků, aplikačního rámu a trysek (viz Obr. 3). Nejdůležitější pro správnou funkci postřikovače jsou dobře seřízené a zvolené trysky, tomu předchází poznatky o pozemku a technickém vybavení. Nutně musíme znát ošetřovanou plodinu, vegetační stupeň plodiny, typ postřiku, množství postřiku v l/ha, průtok v l/min, výměru pozemku, pojezdovou rychlost, šířku aplikačního rámu. Aby aplikace správných trysek byla jednodušší, lze využít již existující přepočetní tabulky od výrobců trysek, navíc jednotlivé typy trysek mají barevné odlišení. Barva trysky předurčuje velikost kapek, průtok v l/min a tím i způsob pokrytí postřikovou látkou. Podle zvoleného množství postřiku na hektar se odvíjí tlak kapaliny, průtok v l/min to vše má za následek velikost dopovídajících kapek a správnou volbu trysek. K výpočtu průtoku lze použít vztah (1).
9
1
5
3
2
4
6
8
7
10 Obr. 3:
3
9
10
10
10
Schéma dvoucestné instalace potrubí: 1 nádrž, 2 uzavírací ventil nádrže, 3 filtr, 4 membránové čerpadlo, 5 škrtící ventil, 6 tlakoměr, 7 pojistný tlakový ventil, 8 elektrický regulační ventil, 9 elektrické kulové ventily, 10 rámy sekcí (upraveno [3])
Požadavky na zařízení Výčet požadovaných vlastností:
3.1
Nezávislé ovládání 4 sekcí postřikovače Výkonný řídící procesor Odolný displej s vysokým kontrastem Central stop Datová komunikace odolná proti rušení Snímač otáček odolný vůči vnějším vlivům Čidlo průtoku odolné vůči chemikáliím Čidlo tlaku Značkovač pro naznačení již ošetřené části pozemku Klávesnice
Definice proměnných
Zajímá nás jaká je rychlost traktoru, průtok, dávka na hektar rozteč postřikového rámu, počet zapnutých sekcí, šířka postřiku, plocha pozemku (viz Obr. 4:).
10
v S T
P
R1
R2
R3
R4
d Obr. 4:
Názorné zobrazení zjednodušeného modelu postřikovače
Výpočet průtoku p:
Kde T…traktor P…postřikovač
11
R1 až R4…rámy sekcí S…plocha pozemku [ha] v…rychlost traktoru [km/h] d…šířka postřiku [m] N…počet zapnutých sekcí [-] t…doba pojezdu [s] t1ha…doba pojezde 1 ha [s] D…dávka postřiku [l/ha] p…průtok postřiku [l/min] Tab. 3.1:
Příklad mezních hodnot běžně požívaných u postřikovačů a výpočet průtoku postřikové jíchy
Dávka postřiku D Rychlost pojezdu v Průtok postřiku p [l/ha] [km/h] [l/min] Minimum 80 5 8 Maximum 400 10 80 Poznámky: při zapnutí všech sekcí N = 4, běžná šířka postřiku d = 12m
Výpočty v tabulce provedeny pomocí vztahu (1).
4
Funkce a vlastnosti Regulační ventily
Ovládací klávesnice
Čidlo průtoku
Displej CPU kabina
RS 485
CPU postřik Čidlo tlaku
Aplikační rám 12V DC
Central stop
Snímač ot. kol
Obr. 5:
Značkovač
Schéma komunikace jednotlivých funkčních částí
Schéma na Obr. 5 popisuje rozložení jednotlivých částí, řízení je rozděleno do dvou bloků řízených samostatnými procesory stejného typu. Rozdělení do dvou částí je z praktických důvodů, jednodušší odpojování postřikovače od traktoru a zabráníme tím vedení silného svazku přívodních vodičů od čidel a regulace. Samostatný vodič
12
přenášející informaci řídící jednotce od jednoho čidla, je tenký a snadno poškoditelný, vzniká riziko mechanického poškození nebo rušení přenášených dat/signálů a to můžu způsobovat chybná vyhodnocení. Dva řídící procesory o dostatečném výpočetním výkonu a velkou programovatelnou pamětí. Z CPU kabina budou odesílána data z klávesnice a napájení. V CPU postřikovač se zpracuje a upraví regulace, opačným směrem budou z čidel na postřikovači odesílána data a zobrazována na displej. Pro bezpečnost obsluhy a zamezení poškození postřikovače bude součástí postřikovače stop ventil pro okamžité zastavení práce postřikovače z důvodu ucpání filtru, přetlaku v tlakových hadicích nebo jakékoliv poruchy. Ventil zastaví přívod postřiku do sekcí a převede jej předovým potrubým do nádrže Řídicí procesor bude ovládat značkovač, regulační ventily, vyhodnocovat údaje ze snímačů a upravovat tak průtok postřiku. Zobrazení potřebných údajů na displej, nastavovací menu pro zadávání potřebných proměnných jako dávka, průměr kola, velikost pozemku, objem nádrže. Zobrazení informací o dávce, zbývajícím množství postřiku, ujetá vzdálenost, ošetřená plocha, zbývající plocha, aktuální rychlost. Průtokové čidlo bude posílat data řídicí jednotce, která tak bude nastavovat úroveň regulačního ventilu a tím dávku postřiku, zobrazení průtoku na display. Tlakové čidlo pro snímání aktuálního tlaku v tryskách. Čidlo bude odesílat data do řídicí jednotky, která pak vyhodnotí přijatou hodnotu. Správný tlak zajistí správnou dávku postřiku, špatný tlak signalizuje poruchu nebo špatné nastavení. Při nízkém tlaku (např. prasklá hadice) odeslán příkaz k přerušení činnosti čerpadla a varování na displej, vysoký tlak zastavení činnosti čerpadla a upozornění na správnou volbu trysek nebo ucpané trysky. Snímač otáček kol musí být mechanicky odolný a odolný vůči rušení. Snímač posílá údaje o rychlosti pro zobrazení na displej a nastavování průtoku postřiku. Klávesnice bude zajišťovat změnu důležitých proměnných jako je dávka postřiku, průměr kol, objem nádrže. Aplikační rám se skládá ze čtyř sekcí, které budou ovládány servomotory, aby bylo možné vyhnout se překážce na pozemku nebo dokončit postřik na okrajích pozemku. Servomotory budou zapínat nebo vypínat jednotlivé sekce podle potřeby situace. Aby bylo možné dosáhnout maximální efektivnosti postřiku a minimálního překrytí, poškození plodin a velké finanční náročnosti na postřik, bude součástí postřikovače i značkovač. Bude přepínatelný mezi pravou, levou sekcí nebo obou současně, ovládaný obsluhou z kabiny traktoru. Značkovač vytváří pěnu, která je dobře viditelná a lze podle toho upravovat záběr postřikovače.
4.1
Regulace průtoku
Regulace průtoku jíchy je plně závislá na rychlosti traktoru, počtu aktivních sekcí, předepsané dávce a tím plní požadované množství postřiku. Regulátor dodává kapalinu do aplikačního rámu, abychom věděli, jako moc má být regulátor otevřen, musíme znát
13
regulovanou veličinu, tedy průtok kapaliny. Tuto odchylku zaznamenává čidlo průtoku, údaje vyhodnocuje regulátor, na jejich základě rozhoduje, jestli otevřít regulátor (vyšší rychlost kladná regulační odchylka) nebo přiškrtit regulátor (malá rychlost záporná regulační odchylka). Zmíněných vlastností lze dosáhnout pomocí proporcionálněintegrační-derivační regulace. [4] Při proporcionální regulaci je akční zásah regulátoru úměrný regulační odchylce. Použitím samotného proporcionálního regulátoru se soustavami, u nichž regulovaná veličina reaguje na akční zásah konstantní velikosti ustálením se na nové hodnotě, vede ke vzniku trvalé regulační odchylky. Zvětšováním zesílení lze trvalou regulační odchylku zmenšit, ale vzniká nebezpečí, že dojde k tzv. nestabilitě regulačního obvodu. V tomto stavu regulovaná veličina kmitavě nebo i nekmitavě neomezeně narůstá až k dorazu nebo poškození zařízení. K odstranění trvalé regulační odchylky se do činnosti regulátoru obvykle přidává integrační složka. [5] Při integračním chování je akční zásah úměrný době, po kterou existuje regulační odchylka. Tím se zamezí konstantní velikosti regulační odchylky. Trvalá regulační odchylka je eliminována integračním chováním regulátoru, při kterém regulátor neustále mění akční veličinu, dokud se mu nepodaří dosáhnout nulové regulační odchylky. Zvětšováním podílu integrační složky kmitavost regulačního pochodu obecně roste. Do jisté míry ji lze zmírnit přidáním derivační složky. [5] Při derivačním chování se výstup z regulátoru vytváří jako úměrný rychlosti změny regulační odchylky. Derivační chování může v předstihu kompenzovat změny regulované veličiny, a proto se ho využívá k tlumení zákmitů regulačního pochodu. Princip je v tom, že jakmile se po změně žádané nebo skutečné (v důsledku poruch) hodnoty regulované veličiny začne regulovaná veličina znovu blížit své (nové) žádané hodnotě, způsobí derivační složka chování regulátoru preventivně změnu jeho zesílení „špatným“ směrem (tj. „od“ žádané hodnoty). Derivační složka chování se často používá také k zamezení překmitu průběhu regulačního pochodu. Derivační složka regulátoru posouvá fázi akčního zásahu vpřed a tím může stabilizovat regulační smyčku. Obecně lze při použití derivační složky užít větší hodnoty zesílení i integrační časové konstanty regulátoru. [5] Problematikou PID regulace se zabývá Ziegler-Nicolsonova metoda, pojmenovaná podle tvůrců Johna G. Zieglera a Nathaniela B. Nicolsona. Existuje několik postup jak nastavit regulátor, aby splňoval požadované vlastnosti a nezničil systém.
4.1.1 Metoda otevřeného regulačního obvodu V několika krocích je vysvětleno, jak lze navrhnout PID regulaci. Přímo na regulovaném procesu nebo simulačně na počítači zaznamenáme přechodovou odezvu na skok vstupu (0 až 100 %). Regulační odezvu ve tvaru „S“ lze charakterizovat dvěma parametry, které z přechodové odezvy určíme. Jde o dopravní zpoždění (dobu průtahu) L a časovou konstantu (dobu náběhu) T. Situace je zřejmá z Obr. 6. Vypočteme parametry PI nebo PID regulátoru podle Tab. 4.1.1: Zesílení procesu: KP =dy/du; K = T/(KP·L). [21]
14
Obr. 6:
Přechodová charakteristika metody otevřeného regulačního obvodu (převzato [21]) Tab. 4.1.1:
PI regulátor PID regulátor
Nastavení metody otevřeného regulačního obvodu Proporcionální zesílení 0,9*K 1,2*K
Integrační časová konstanta 3,3*L 2*L
Derivační časová konstanta 0,5*L
4.1.2 Metoda uzavřeného regulačního obvodu Parametry PID regulátoru stanovíme tímto postupem. Zcela vyřadíme integrační a derivační část PID regulátoru. Uděláme malý skok žádané hodnoty a pozorujeme regulační odezvu. Skok žádané hodnoty opakujeme se zvětšeným nebo zmenšeným proporcionálním zesílením regulátoru až do doby, než zaznamenáme regulační odezvu na mezi stability. Regulační odezva je kmitavá a amplituda kmitů se ani nezvětšuje, ani nezmenšuje. Podobá se chování stabilního oscilátoru Obr. 7. Jestliže takového stavu změnou proporcionálního zesílení nedosáhneme, metodu nelze použít. Alternativou tohoto kroku je, že postupně od nuly zvětšujeme proporcionální zesílení regulátoru a sledujeme, až regulační odezva dosáhne meze stability. Neměníme žádanou hodnotu. Zaznamenáme hodnotu proporcionálního zesílení Ku pro mez stability a kritickou periodu Pu těchto kmitů. Vypočteme parametry PI nebo PID regulátoru podle tab. 4.1.2. [21]
Obr. 7:
Přechodová charakteristika metody uzavřeného regulačního obvodu (převzato [21]) Tab. 4.1.2:
PI regulátor PID regulátor
Nastavení metody uzavřeného regulačního obvodu Proporcionální zesílení 0,45*Ku 0,6*Ku
Integrační časová konstanta Pu/1,2 Pu/2
15
Derivační časová konstanta Pu/8
4.2
Řídící jednotka
Mikrokontrolér bude obsahovat veškerá funkce a výpočty potřebné k obsluze agropočítače. Součástí budou připojené periferie jako display, tlačítka, čidla a sériovou komunikaci. Mikrokontrolér musí mít dostatečný výpočetní výkon a velkou programovatelnou paměť.
4.2.1 CPU kabina a postřikovač Řídicí jednotky v agropočítači, s pracovními názvy „kabina“ a „postřikovač“ podle schématu (viz Obr. 5), budou dva 8-bitové mikrokontroléry ATmega16, jejich funkcí bude sběr dat z čidel a vyhodnocování. Použitím dvou stejných CPU Mikrokontrolér má vysoký výkon, nízký příkon, 16 kbajtů programovatelné flash paměti, 1 kbajtů SRAM, 512 bajtů EEPROM, 8 kanálů s pro 10 bitový A/D převodník, JTAG rozhraní pro přímé ladění. Zařízení podporuje propustnost 16 milionů instrukcí za sekundu (anglicky MIPS) na 16 MHz a pracuje v rozmezí 4,5 až 5,5 V. Vykonáním instrukcí v jednom hodinovém cyklu, dosahuje mikrokontrolér 1 MIPS za 1 MHz. (viz Obr. 5:). [7]
Obr. 8:
4.3
Mikrokontrolér ATmega16 na desce plošného spoje (upraveno [7])
Displej
V kabině traktoru mohou nastat náročné podmínky, obsluha nastavuje a orientuje se podle údajů na displeji a je na něm plně závislá. Musí mít vysoký kontrast, vysokou teplotní a mechanickou odolnost. Tyto parametry splňuje např. LCD displej od společnosti Electronic Assembly řada EA DIP203-4 (viz Obr. 9:). Tento displej má vysoký kontrast, automatickou teplotní kompenzaci, instalace připájením pinů k desce, nebo aplikací do příslušné patice, grafický kontrolér KS0073 (HD44780), rozhraní pro 4 a 8-bitovou datovou komunikaci, sériové rozhraní SPI, napájení 5V, pracovní teplotní rozsah -20° až +70°C. Lze vybírat ze tří typů displejů s modrým podsvícením a bílým písmem, zelené podsvícení černé písmo a bílé podsvícení černé písmo. [8]
16
Obr. 9:
4.4
Ukázka displejů řady 203, vlevo nahoře DIP203G-4-NLED, uprostřed DIP203B4NLW, vpravo nahoře DIP203J-4NLW (převzato z [8])
Datová komunikace
Zajišťuje komunikaci mezi CPU kabina a postřik, musí být mechanicky odolná, snadno odpojitelná, zabezpečená vůči rušení a následné chybě nebo ztrátě dat. Proto jsme zvolili použít datový kabel RS 485, který využívá dvou vodičů omotaných kolem sebe tzv. twistedpair (TP) a také Balanced data transmision a Differential voltage transmission (vyvážený datový přenos a rozdílový napěťový přenos). Při označení jednoho vodičů TP jako A druhý jako B, potom je-li signál neaktivní, je napětí na A záporné a na B kladné. V opačném případě při aktivním signálu, je A kladné a B záporné. Tento typ vedení může dosahovat délky 1200 m, ale výrazně se to projevuje na přenosové rychlosti. Běžné obvody dosahují přenosové rychlosti 2,5 Mbitů/s. Způsob obvodového zapojení je znázorněn na Obr. 10. [9] RS 485 se používá pro multipoint komunikaci, více zařízení může být připojeno na jedno signálové vedení. Většina RS 485 systémů používá Master/Slave architekturu, kde má každá slave jednotka svojí unikátní adresu a odpovídá pouze na jí určené pakety. Tyto pakety generuje Master (ATmega 16) a periodicky obesílá všechny připojené slave jednotky. V zapojení Double TP RS 485 Master nemá třístavový výstup, protože Slave zařízení vysílají do druhého TP, určeného pro komunikaci od slave zařízení k masteru. Samozřejmá je ovšem nutnost úpravy Master software, tak, aby obesílal všechny Slave zařízení dotazovacími pakety. Zřejmé je také zvýšení datové propustnosti při větších objemech dat. [9] Pro zapojení RS 422/485 pomocí Balanced differential signals potřebujeme IO (integrovaný obvod) budič s diferenciálními výstupy a IO přijímač s diferenciálními vstupy. Do běžného přenosového vedení se indukuje rušení, protože se signál přenáší pomocí TP vodičů jdoucích stejnou trasou, je napěťová diference (rozdíl napětí mezi A a B) tohoto rušení téměř nulová. Vzhledem k diferenciální funkci vstupního zesilovače RS 422/485 přijímače je toto rušení eliminováno. Platí to také pro přeslechy z vedlejších vodičů, a pro jakékoli jiné zdroje šumů, dokud nejsou překročeny napěťové hranice vstupních obvodů přijímacího IO. Diferenciální vstup také eliminuje rozdíl zemních potenciálů vysílače a přijímače. Tato vlastnost je velmi důležitá pro
17
komunikaci mezi různorodými systémy. Použití TP kabelů a korektní zakončení (pro eliminaci odrazů) dovoluje rychlost přenosu dat větší než 10Mbit/s na krátkou vzdálenost a délky kabelů až 1 Km za cenu nízké rychlosti přenosu. [9] Logické úrovně reprezentují rozdílné napětím mezi oběma vodiči. Přijímač rozlišuje logickou 1 při rozdílu napětí A - B < -200 mV, logickou 0 při rozdílu napětí A-B > +200 mV. Vysílač by měl na výstupu při logické 1 (klidový stav linky) generovat na vodiči A napětí -2 V, na vodiči B +2 V, při logické 0 by měl na vodiči A generovat +2 V, na vodiči B -2V. [10]
Obr. 10:
4.5
Rrealizace RS-485 pomocí MAX489 (převzato z [11])
Ovládací klávesnice
Požadovaná je teplotní odolnost, odolnost vůči prachu a kapalinám, mechanická odolnost, číselník, přepínače ovládáni značkovače, funkční tlačítka. Pomocí maticové klávesnice a funkčních tlačítek bude možné zadávat vstupní parametry, potřebné pro správné výpočty CPU a nastavování průtoku postřiku. Obsluha bude mít možnost nastavit rozměry kola postřikovače, objem nádrže, plocha pozemku a dávku postřiku na hektar. Další funkcí bude pohyb v menu a kontrola spotřebovaného postřiku, zbývající množství postřiku, ujetá vzdálenost, zbývající plocha k ošetření.
18
Obr. 11:
4.6
Příklad maticové klávesnice (převzato z [12])
Snímač otáček
Snímač otáček kol musí být mechanicky odolný a odolný vůči rušení, mechanicky odolný. Snímače otáček se rozdělují na tři typy bezkontaktních snímačů optický, magnetický a indukční, každý využívá jiných jevů pro získání informace o rychlosti otáčení kola. Optický snímač zaznamenává změnu dopadajícího světla vlivem otáčení kola. Tento typ snímače se pro tyto účel nehodí, protože jej lze snadno rušit nečistotami na disku snímaného kola, déšť způsobí nenadálé změny apod. Magnetický indukční snímač obsahuje permanentní magnety, které by mohli přitáhnout kovový předmět a během několika otáček poničit snímač. Induktivní snímače otáček se skládají obecně ze tří hlavních magnetických součástí a to nehybná cívka, část magneticky měkkého železa, trvale magnetická část. Změna magnetického toku potřebná k vytváření výstupního napětí je způsobována otáčením kola. V cívce, která je pevně spojená s permanentním magnetem, se indukuje změnou magnetického toku střídavé napětí přibližně sinusového průběhu. Indukované napětí v cívce je úměrné změně (derivaci) magnetického toku . Velikost signálu je přímo úměrná otáčkám kola. Proto se prahové hodnoty vstupních obvodů v řídící jednotce dynamicky přizpůsobují otáčkám. Výstupní napětí snímače tvaruje Schmittův obvod na pravoúhlý průběh. Tento obvod se používá pro digitalizaci pomalých nebo zarušených signálů. Má hysterezi, kterou vytváří kladná zpětná vazba z výstupu na vstup. Odstraňuje nejednoznačné úrovně napětí, na jeho výstupu je vždy pravoúhlý průběh napětí. Amplituda signálu závisí výrazně na vzduchové mezeře, přesné nastavení mezery mezi cívkou a impulsním kolem je velmi důležité. [13] Pro realizaci byl zvolen indukční snímač značky OMRON, který pracuje ve snímací vzdálenosti 8 mm, napájecí napětí 12 až 24 VDC, odolné vůči vibracím, snímač
19
disponuje velkým teplotním rozsahem -40° až 70°C, odolnost splňující IP67, pouzdro konstruováno z odolných materiálů jako nerezová ocel a poniklovaná mosaz (viz Obr. 12). Výstup je analogový 10-30V nebo <100 mA, signál PNP/NPN nebo digitální. [14]
Obr. 12:
4.7
Příklady induktivních snímačů otáček (převzato z [14])
Čidlo tlaku
Čidlo snímače tlaku, které bude použito v postřikovači, musí mít krytí alespoň IP54 a výstup v podobě unifikovaného signálu, zpravidla analogového. [15] V postřikovači bude čidlo tlaku od firmy buster Obr. 13 s měřícím rozsahem 0 až 50 bar, napájecí napětí 8 V, odolnost IP65, materiál nerez, výstupní analogový signál volitelný 0-10 V (0-5 V) nebo 4-20 mA.
Obr. 13:
Použitý typ tlakového čidla (převzato z [20])
20
4.8
Čidlo průtoku
Požadavky jsou:
Odolnost proti vnějším vlivům
Možnost měření vodných roztoků agrochemikálií (DAM – dusičnan amonný, ropné emulze)
Rozsah měření průtoku ca 10-100 l/min
Tlaku do 15 atmosfér
Výstup analogový 0(1)-10V nebo 4-20 mA nebo digitální
Čidlo průtoku se vyrábí ve variantách bez pohyblivých částí Obr. 13, jazýčkové Obr. 14, turbínkové Obr. 15 a lopatkové Obr. 16. Jednotlivá čidla se liší napájením, výstupními hodnotami, tlakovou odolností, způsobem převodu průtoku na výstupní veličinu.
Obr. 14:
(vlevo) Příklad průtokového čidla bez pohyblivých částí (převzato z [16]), (uprostřed) jazýčkové průtokové čidlo (převzato z [17]), (vpravo) turbínkové průtokové čidla (převzato z [18])
Obr. 15:
Použitý typ lopatkového průtokového čidla (převzato z [19])
Pro postřikovač bude použito lopatkové průtokové čidlo od firmy Bürkert složené
21
z mechanické části s označením S030 a elektronické části s označením SE30. Tento typ čidla byl zvolen pro vhodné vlastnosti a požadovanou odolnost. Čidlo měří průtok v rozsahu 0,5 až 1200 l/min, je odolné v teplotách -15° až 60°C, tlaková odolnost do 15 atmosfér, odolný mosazný materiál, napájecí napětí 8-15 VDC, odolnost IP67, výstupní signál PNP/NPN. [19]
4.9
Ovládání značkovače
Značkovač bude ovládán dvěma přepínači mezi pravou a levou sekcí nebo obou současně, ovládaný obsluhou z kabiny traktoru. Příkaz se pošle přes CPU traktor, datovou komunikaci do CPU postřik a spustí se požadované funkce.
4.10
Obvod reálného času
Také označovaný zkratkou RTC (Real Time Clock), je určený k zobrazování aktuálního času na LCD displeji. Tímto obvodem je možné zobrazit čas datum, datum i rok na displeji a současně měřit i dobu práce.
4.11
Centrál Stop
Bezpečnostním prvkem zabraňujícím zničení postřikovače nebo hydraulických rozvodu je ventil, který při uzavření zastaví přívod postřiku do sekcí a přesměruje směs přes přepadovou větev zpět do nádrže Obr. 16 a 17.
5 5.1
Praktická část Popis funkcí a provozu
Obsluha zapne agropočítač, zobrazí se údaje o aktuálním průtoku, rychlosti, zadané dávce a aktuální dávce. Při zastaveném postřikovači nepřicházejí žádné impulzy od čidel, čerpadlo je v provozu, ale směs protéká přepadovým potrubím zpět do nádrže, použitý regulační systém je na Obr. 16 a 17. Při začátku práce obsluha zadá dávku, průměr kola, množství postřiku, zadané údaje se uloží do EEPROM pro čtení a výpočty. Na základě údajů se provedou výpočty regulace a odešlou se pomocí sériové komunikace RS-485. Jakmile se traktor rozjede, budou přijímány pulzy od snímače kola do ATmegy 16 poslány sériovou komunikací, přepočítány na rychlost a průtok, zobrazeny na displej. Současně budou posílány a zpracovávány údaje z průtokového čidla. Během práce je možné zapínat potřebný počet sekcí (překážky, okraj pozemku), dojde k uzavření nebo otevření ventilů sekcí a podle toho bude dávka přepočítána.
22
Přívody postřiku k sekcím Hlavní regulační ventil
Regulační ventily sekcí
Stop ventil
Obr. 16:
Rozložení ventilů a přívodů
Hlavní přívod postřiku
Přepadové přivody
Obr. 17:
5.2
Přívody postřiku
Program
Po spuštění systému začne Timer/Counter 0 (Čítač/Časovač) inkrementovat proměnnou TIMER_0. Při příchodu pulzu z čidla se provede výpočet rychlosti v km/h, která se uloží do globální proměnné V_Rychlost dané vztahem (2), obecná konstanta K0 zahrnuje frekvenci krystalu CPU, předděličku čítače a konstanty pro výpočet rychlosti. Proměnná TIMER_0 je vynulován a čítač čítá znovu, dokud nepřijde další pulz, pak je proveden opět výpočet rychlosti a zobrazení na displej. Doba mezi nulováním TIMER_0 odpovídá době mezi pulzy z čidla, to platí i pro druhý čítač.
23
(2) Pro výpočet průtoku je určen Timer/Counter 1, který inkrementuje proměnnou TIMER_1. Při příchodu pulzu z čidla se provede výpočet průtoku v l/min, který se uloží do globální proměnné V_Prutok dané vztahem (3), obecná konstanta K1 zahrnuje frekvenci krystalu CPU, předděličku čítače s, konstanty pro výpočet průtoku. Proměnná TIMER_1 je vynulován a čítač čítá znovu, dokud nepřijde další pulz, pak je proveden opět výpočet průtoku a zobrazení na displej. (3) V hlavní smyčce programu se kontroluje stisknutí kláves odpovídající ovládání sekcí, které vyvolají změnu PID regulace a výpočty, nebo dojde k vyvolání podprogramu pro změna požadované dávky, průměru kola, objemu nádrže od kterých se také odvíjí výpočty a regulace. Při výpočtech a regulaci jsou volány globální proměnné V_Prutok, V_Rychlost, podle jejich změny se nastavuje požadovaná dávka postřiku. Systém bude reagovat na změny s určitou tolerancí, protože dochází k časovému zpoždění reakce systému, časovým prodlevám, regulačním odchylkám. Regulace na nulovou odchylku tudíž nemá smysl a vedla by k velkému namáhání regulačního ventilu a jeho změna není okamžitá, vniká tím časová prodleva, než dojde ke změně. Při zapínání sekcí dochází k otevření příslušného regulačního ventilu, který může mít pouze stavy otevřený nebo zavřený. Zapnutí
Přerušení čítače/časovače 0 INT_0
Přerušení čítače/časovače 1 INT_1
Skenování stisku klávesnice
Výpočet rychlosti
Výpočet průtoku
Výpočty a regulace
Konec přerušení INT_0
Konec přerušení INT_1
Obr. 18:
Vývojový diagram programu obsluhujícího postřikovač
24
5.3
Schémata a desky plošných spojů
Obr. 19:
CPU „Kabina“ – schéma zapojení
Součástí desky „kabina“ je JTAG konektor pro programování ATmega16, klávesnice na zadávání údajů a ovládání sekcí, konektor pro komunikaci RS-485, displej, indikační led diody a napájecí konektor.
25
Obr. 20:
CPU „Postřikovač“ – schéma zapojení
Na desce „postřikovač“ je JTAG konektor pro programování ATmega16, konektor pro komunikaci RS-485, H-můstky pro ovládání motorů regulace, tvarovací obvody pro čidlo průtoku a rychlosti, ochranné obvody proti indukovanému přepětí z motorů a svorky pro připojení vodičů.
26
Obr. 21:
Osazená deska „Postřikovač“ (přední strana)
Obr. 22:
Osazená deska „Postřikovač“ (zadní strana)
27
6
Závěr
Bakalářská práce popisuje hydraulické schéma, jehož obdoba je použita v realizaci projektu. Dále je rozebírána teorie návrhu proporciálně-integrační-derivační regulace postřikovače, jak probíhá výpočet PID na základě průtoku a počtu aktivních sekcí. V práci jsou vysvětleny požadované funkce a vlastnosti zařízení, jak probíhá jeho provoz, posílání dat z čidel a ovládání. Byly popsány požadované vlastnosti součástek a výběr vyhovujících součástek včetně jejich parametrů. Praktická část popisuje provoz a obsluhu agropočítače, jak fungují servomotorem řízené ventily sekcí, regulace, přepadový ventil (centrál stop), přívody postřiku a přepadu. Je zde rozebráno jak pracuje program ovládající agropočítač, jak jsou zobrazovány a vypočítány důležité údaje jako dávka, průtok, rychlost, dále popis důležitých částí obou schémat desek. Další práce na projektu bude spočívat v doladění programu obsluhujícího agropočítač, otestování v provozu, instalace analogového tlakoměru, instalace manuálního ovládání sekcí při selhání elektronického ovládání z kabiny, aplikace dodatečné funkce jakou je například značkovačkovač.
28
Literatura [1] MAŠEK, Jiří a Petr HEŘMÁNEK. Aplikační technika: extramanuál. 1. vyd. České Budějovice: ORIN, 2006. ISBN 80-903-7170-1. [2] FRÍD, Milan a Václav VÁVRA. Mechanizace ochrany rostlin [online]. 2013 [cit. 2013-1219]. Dostupné z: http://kzt.zf.jcu.cz/wp-content/uploads/2013/11/ochrana_rostlin.pdf [3] Schéma potrubních systémů. TeeJet TECHNOLOGIES [online]. © 2013 [cit. 2013-12-19]. Dostupné z: http://www.teejet.com/czech/home/tech-support/nozzle-technicalinfo/plumbing-diagrams.aspx [4] Proporcionální, PI a PID regulátory ve výstavbě a jejich fungování. HEJHÁLEK, Jiří.STAVEBNICTVÍ3000.CZ [online]. © 2001–2013 [cit. 2013-12-19]. Dostupné z: [1] http://www.stavebnictvi3000.cz/clanky/proporcionalni-pi-a-pid-regulatory-ve-vystavbe-aj/ [5] Automa: časopis pro automatizační techniku [online]. Praha: FCC Public, 2003 [cit. 201312-19]. ISSN 1210-9592. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/vyhledavanivysledek/co-znamena-pid-28768.html [6] HLAVA, Jaroslav. Analogové a číslicové regulátory, elektrické pohony, průmyslové komunikační systémy. Praha, 2000. Dostupné z: http://www.fm.tul.cz/~jaroslav.hlava/par/Skripta_PAR.pdf. Skripta. ČVUT. [7] ATmega16. Atmel [online]. © 2013 [cit. http://www.atmel.com/devices/atmega16.aspx
2013-12-19].
Dostupné
z:
[8] LCD MODUlE. ELECTRONIC ASSEMBLY [online]. [18. April 2013] [cit. 2013-12-19]. Dostupné z: http://www.lcd-module.de/fileadmin/eng/pdf/doma/dip203-4e.pdf [9] Co je RS422 RS485 a srovnání s RS232. VALTER, Jaroslav. Regulace od Jardy [online]. 15/11/2003 [cit. 2013-12-19]. Dostupné z: http://valter.byl.cz/co-je-rs422-rs485-asrovnani-rs232 [10] RS-485. Wikipedie [online]. 5. 5. http://cs.wikipedia.org/wiki/RS-485
2013
[cit.
2013-12-19].
Dostupné
z:
[11] RS-485/RS-422 Transceivers. Maxim Integrated [online]. 2004, 2009-08-17 [cit. 2014-0422]. Dostupné z: http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/1112 [12] GM-ELECTRONIC [online]. 1990–2013 http://www.gme.cz/f-kv16key-black-p637-091
[cit.
2013-12-19].
Dostupné
z:
[13] VLČEK, Jiří. Snímače v motorových vozidlech. Tzbinfo [online]. 2001-2013 [cit. 201312-19]. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/digitalni-ucebnice [14] Cylindrical Proximity Sensor. OMRON [online]. 2007 - 2014 [cit. 15. 4. 2014]. Dostupné z: http://www.ia.omron.com/products/family/1883/specification.html [15] Automa: časopis pro automatizační techniku [online]. Praha: FCC Public, 2007 [cit. 201312-19]. ISSN 1210-9592. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=42719
29
[16] AHLBORN [online]. 2013 [cit. 2013-12-19]. Dostupné http://www.ahlborn.cz/cs/produkt/snimac-prutoku-kapalin-fva645gv100qt/
z:
[17] KSR PRAHA [online]. © 2002 [cit. http://www.ksrpraha.cz/produkty/ksr-proudoznaky
2013-12-19].
Dostupné
z:
[18] Omegaeng.cz [online]. © 1995-2011 [cit. 2013-12-19]. http://www.omegaeng.cz/ppt/pptsc.asp?ref=FPR100&Nav=gref06
Dostupné
z:
[19] Bürkert: FLUID CONTROL SYSTEM [online]. © 2014 [cit. 15. 4. 2014]. Dostupné z: http://www.burkert.cz/index.php?sid=50&mid=33&id=720 [20] Burster. Pressure Transmitter [online]. 2012 [cit. 2014-04-15]. Dostupné http://www.burster.com/en/products/sensors/c/pressure/p/pressure-transmittermodel8227/v/
z:
[21] Automa: časopis pro automatizační techniku [online]. Praha: FCC Public, © 2014 [cit. 2014-04-22]. ISSN 1210-9592. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=27697
30
Seznam symbolů, veličin a zkratek TP
Twisted Pair, kroucené vodiče
CPU
Central Processing, Unit procesor
A/D
Převodník analogový na digitální signál
IO
Integrovaný obvod
SRAM
Static Random Access Memory, Statická paměť
EEPROM
Electrically Eraseable Programable Read Only elektronicky mazatelná programovatelná čtecí paměť
JTAG
Joint Test Action Group, zapojení pro ladění
MIPS
Milion Instruction Per Second, milion instrukcí za vteřinu
SPI
Serial Peripheral Interface, sériové periferní rozhraní
31
Memory,
Seznam příloh A.1
DPS pro CPU postřikovač –TOP strana ........................................................ 33
A.2
DPS pro CPU postřikovač – TOP strana, osazovací plán ............................. 33
A.3
DPS pro CPU postřikovač –BOTTOM strana .............................................. 34
A.4
DPS pro CPU postřikovač –BOTTOM strana, osazovací plán .................... 35
A.5
DPS pro CPU kabina –TOP strana ................................................................ 35
A.6
DPS pro CPU kabina –TOP strana, osazovací plán ...................................... 36
A.7
DPS pro CPU kabin –BOTTOM strana ......................................................... 36
A.8
DPS pro CPU kabina –BOTTOM strana, osazovací plán ............................ 37
32
A.1
DPS pro CPU postřikovač – TOP strana
A.2
DPS pro CPU postřikovač – TOP strana, osazovací plán
33
A.3
DPS pro CPU postřikovač – BOTTOM strana
34
A.4
DPS pro CPU postřikovač – BOTTOM strana, osazovací plán
A.5
DPS pro CPU kabina – TOP strana
35
A.6
DPS pro CPU kabina – TOP strana, osazovací plán
A.7
DPS pro CPU kabina – BOTTOM strana
36
A.8
DPS pro CPU kabina – BOTTOM strana, osazovací plán
37
