А.Е. Медведев Микропроцессорная система управления насосным агрегатом

11

НАЧАЛО

Включить

аварийную

звуковую

сигнализацию

Включить

аварийную

световую

сигнализацию

да

t < 5 c

нет

Выключить

аварийную

звуковую

сигнализацию

Нажата	нет
кнопка
"СТОП"

да

Включить

аварийную

световую

сигнализацию

ВЫХОД

Рис. 4. Алгоритм аварийной сигнализации

12

4.2. Принципиальная схема системы

Для моделирования процессов, протекающих в реальном насосном агрегате, используется имитационная модель, построенная с учетом следующих положений:

1.Датчики нижнего, верхнего уровней и датчики положения задвижки «закрыто», «открыто» реализуются программно, т.е. они срабатывают автоматически.

2.Исполнительные механизмы (элементы) представлены устройствами индикации срабатывания их пускателей — светодиодами. Пускатели имитируются электромагнитными реле.

3.Датчики аварийных режимов представлены кнопками или тумблерами, т.е. они срабатывают при ручном воздействии.

4.Заполнение или откачка водосборника, открытие или закрытие задвижки имитируются работой соответствующих интеграторов потока

искорости.

5.Уровень воды в водосборнике и положение задвижки отображаются стрелочными индикаторами.

Система имеет блочное исполнение. Все элементы управления, индикации и световой сигнализации вынесены на лицевую панель блока, внешний вид которой представлен на рис. 5.

Принципиальная электрическая схема управления насосным агрегатом приведена на рис. 6. Она функционально выполнена на одной печатной плате. Трассировка печатной платы выполнена в программе ACCEL EDA 15. Использование печатной платы позволяет резко снизить паразитные наводки на компоненты системы, что повышает устойчивость её работы.

Питание схемы осуществляется от однофазной сети переменного тока 220 В, 50 Гц. В приборе использован унифицированный малогабаритный трансформатор Т1.

Через тумблер SA1 напряжение питания подаётся на трансформатор Т1. На диодный мост VD5 поступает напряжение 12 В, а на диод VD6 — напряжение 24 В.

Выпрямленное и сглаженное конденсаторами С7 и С8 напряжение используется для питания реле К1-К4, имитирующих работу пускателей.

13

Рис. 5. Лицевая панель блока системы управления

14

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема системы управления насосным агрегатом

15

Рис. 6. Продолжение

16

Выпрямленное и сглаженное конденсатором С6 напряжение поступает на интегральный стабилизатор U1 типа КРЕН5. Это напряжение используется для питания остальной части имитатора. С выхода микросхемы получаем стабилизированное напряжение 5 В.

Конденсаторы С1-С4, С11 установлены возле выводов питания всех использованных микросхем для исключения помех по шинам питания.

Светодиод H12 сигнализирует о наличии питания имитатора. Для индикации режимов работы предназначены светодиоды Н1-

Н11, Н13-Н16, включение которых означает: Н1 — сработала электрозащита (СЭЗ);

Н2 — пускатель заливочного насоса (ПЗН); Н3 — перегрев подшипников (ПП); Н4 — пускатель закрытия задвижки (П -); Н5 — отсутствие потока (ОП);

Н6 — пускатель открытия задвижки (П +); Н7 — заклинивание задвижки (ЗЗ); Н8 —высоковольтный выключатель (ВВ); Н9 — отсутствие давления (ОД);

Н10 — датчик положения задвижки «открыто» (ДПЗ -); Н11 — датчик положения задвижки «закрыто» (ДПЗ +); Н13 — датчик нижнего уровня (ДНУ); Н14 — датчик верхнего уровня (ДВУ); Н15 — режим «Автомат»; Н16 — режим «Ручной».

Светодиоды Н2, Н4, Н6 и Н8 включаются через контакты реле К1, К2, К3 и К4 соответственно. Для управления светодиодами Н1, Н3, Н5, Н7, Н9, Н10, Н11, Н13-Н16 использованы микросхемы U1 и U4 типа К155ЛН2, представляющие собой шесть инверторов с открытым коллекторным выходом. В цепи светодиодов включены балластные резисторы R1-R15, R20, предназначенные для ограничения токов через светодиоды и выходы инверторов.

Для управления реле К1-К4 использованы транзисторы VT1-VT4 и четыре инвертора микросхемы U3. Это сделано для того, чтобы не вывести из строя микросхему высоким напряжением, питающим обмотки реле.

17

Подача звукового сигнала происходит с помощью зуммера U7 типа НСМ1206, подключенного к микроконтроллеру через один из инверторов микросхемы U1. Звук получается подачей микроконтроллером последовательности нулей и единиц на вход инвертора с частотой 2500 Гц, что близко к частоте собственного резонанса излучателя U7, составляющего 2400 Гц.

Тактовая частота микроконтроллера задаётся внешним кварцевым генератором Q1 и составляет 12 МГц, т.е. период выполнения команд микроконтроллером составляет 1 мкс.

Сброс микроконтроллера в начальное состояние происходит с помощью цепочки С14, VD7 и R30.

Имитация датчиков аварийного режима реализована с помощью кнопок SB4, SB5 и тумблеров SA2-SA4, которые означают следующее:

SB4 — датчик температуры подшипников (ДТП); SB5 — датчик электрозащиты (ДЭЗ);

SA2 — датчик давления заливочного насоса (ДД); SA3 — датчик наличия потока (ДНП);

SA4 –– датчик заклинивания задвижки (запрета ее движения). Кнопкой SB1 производится выбор ручного или автоматического

режима. Предназначение кнопки SB2 «ПУСК» в том, чтобы включать откачку жидкости из ёмкости в ручном режиме в любой момент времени. Кнопка SB3 «СТОП» отключает откачку и закрывает задвижку в ручном режиме в любой момент времени.

Для управления стрелочными индикаторами уровня воды PV1 и положения задвижки PV2 использована широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

ШИМ-сигнал представляет собой такую последовательность импульсов, у которой период Т (соответственно и частота, в нашем случае 15 Гц) остаётся неизменным, а изменяется длительность импульса t (рис. 7). Для получения постоянного напряжения из ШИМ-сигнала используются интегрирующие цепочки R21, С9 и R22, C10, постоянная времени которых, вычисляемая по формуле 0,7RC, в три раза больше периода Т импульсного сигнала. На выходе интегрирующих цепочек получаем аналоговое напряжение, пропорциональное отношению длительности t к периоду Т ШИМ-сигнала. Чем больше длительность t, тем выше напряжение на выходе интегрирующей цепи. Операционные усилители U5:A и U5:В в данном случае используются для согласования высокого входного сопротивления, необходимого для нормальной

18

работы интегрирующих цепей и низкого выходного сопротивления, обусловленного выбранными стрелочными индикаторами. Резисторные цепочки R25, R27 и R26, R28 необходимы для преобразования выходного напряжения с операционных усилителей в ток управления стрелочными индикаторами.

В тестовом режиме с помощью подстроечных резисторов R27, R28 стрелки индикаторов устанавливаются в крайнее правое положение.

Для крайнего правого положения стрелок индикаторов ШИМсигнал имеет форму типа «меандр» (длительность t импульса такого сигнала равна половине его периода Т). От t=0 до t=T/2 используется 128 шагов, что позволяет наблюдать на стрелочных индикаторах относительно плавное движение стрелок. Время заполнения ёмкости выбрано равным 100 с, время откачки ёмкости — 20 с. Время открытия, и закрытия задвижки выбрано равным 7 с.

U

0			t						t
						T

Рис. 7. Выходной сигнал широтно-импульсного модулятора (ШИМ-сигнал)

5.ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМЫ

5.1.Включить тестовый режим (нажать кнопку «Режим» и включить питание прибора). Будет осуществлена проверка работы светодиодов индикации, стрелки индикаторов установятся в крайнее правое положение. При нажатии кнопки «Пуск» произойдёт проверка свето-

19

звуковой сигнализации. Выход из тестового режима происходит при нажатии кнопки «Стоп».

5.2.Проверить работу системы в нормальном режиме (нажать вторично кнопку «Режим», загорится светодиод «Автомат»). При этом отклонение стрелки прибора PV1 будет отображать наполнение водосборника (оно начинается с момента включения питания). При достижении водой верхнего уровня загорается светодиод «Датчик верхнего уровня», включается пускатель заливочного насоса, загорается светодиод «Пускатель заливочного насоса» и в течение 5 с происходит проверка заливки насоса. При загорании светодиода датчика «Давление заливки насоса» отключается пускатель заливочного насоса (гаснет светодиод «Пускатель заливочного насоса») и включается пускатель привода задвижки на открытие (загорается светодиод «Пускатель задвижки открыть»). Начнётся движение стрелки прибора PV2, имитирующее перемещение задвижки. В конце движения загорится светодиод «Задвижка открыта». Отключится пускатель задвижки, включится высоковольтный выключатель, загорится светодиод «Высоковольтный выключатель насоса». Стрелка прибора PV1 начнёт возвращаться в исходное положение. При достижении нижнего уровня сработает датчик НУ (загорится светодиод «Датчик нижнего уровня»), включится привод движения задвижки на закрытие (загорится светодиод «Пускатель задвижки закрыть»), начнется движение стрелки прибора PV2 в исходное положение. В конце этого движения загорится светодиод «Задвижка закрыта», отключится высоковольтный выключатель. Далее процесс повторяется и возникает автоколебательный режим работы системы.

5.3.Проверить работу системы в аварийных ситуациях. Аварийный режим возникает при срабатывании одного из датчиков: ОД, ОП, ЗЗ, ПП, СЭЗ.

5.3.1.При отсутствии давления заливки (тумблер «Давление заливки» устанавливается в левое положение) через 10 с после включения ПНЗ включится аварийная световая и звуковая сигнализация и ПНЗ отключится. Для выхода из этого аварийного режима следует нажать кнопку «Стоп», после исчезновения звукового сигнала система возвращается в режим ручного управления.

5.3.2.Аналогично работает защита при исчезновении потока откачиваемой жидкости в насосе (тумблер «Наличие потока» устанавливается в левое положение). Аварийный сигнал появляется через 3 с. В ре-

20

зультате закроется задвижка и отключится высоковольтный выключатель.

5.3.3. При заклинивании задвижки (тумблер управления движением задвижки установить в правое положение) стрелка индикатора PV2 остановится, сработает звуковая сигнализация и загорится светодиод «Заклинивание задвижки». При отключении этого аварийного режима кнопкой «Стоп» система включит привод задвижки на закрывание.

5.3.4.При перегреве подшипников (нажать кнопку «Температура подшипников») отключается высоковольтный выключатель, загорается светодиод «Перегрев подшипников» и включается звуковая сигнализация. Из этого аварийного режима система выводится при нажатии кнопки «Стоп».

5.3.5.Электрозащита работает аналогично защите от перегрева подшипников при нажатии кнопки «Электрическая защита».

6.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Назовите основные элементы микропроцессорной системы управления насосным агрегатом.

2.Функции, выполняемые в системе управления микропроцессорным контроллером.

3.Принципы имитации процессов заполнения и откачки водосборника и движения задвижки.

4.Назовите датчики системы, реализованные программным спо-

собом.

5.Назовите функции, реализуемые алгоритмом управления насосным агрегатом.

6.Назначение и работа алгоритма тестового режима.

7.Как работает алгоритм аварийной сигнализации?

8.Какими элементами имитируется в системе пусковая аппаратура насосного агрегата?

9.Как осуществляется в системе индикация уровня воды и положения задвижки?