Блок управления системой водоснабжения

Основываясь на собственном опыте, автор излагает основные принципы построения индивидуальных накопительных систем водоснабжения и описывает разработанный им блок управления такой системой, отвечающий, по его мнению, требованиям по её надёжности и безопасности эксплуатации.

Обойтись без воды в современном загородном доме, фермерском хозяйстве или на дачном участке прос­то невозможно. В отдалённых местах централизованное водоснабжение не­целесообразно, а источником воды служит скважина, колодец или даже открытый водоём. Последний вариант крайне нежелателен ввиду возможнос­ти загрязнения водоёма и распростра­нения загрязнителя по всей системе водоснабжения. Можно брать воду из колодца, но когда его нет, остаётся только пробурить скважину.

Чем дальше территория от города, тем чаще случаются перебои с подачей электроэнергии, поэтому предпочти­тельны системы водоснабжения с нако­пительным баком, запаса воды в кото­ром достаточно на некоторый период времени. Самые простые системы во­доснабжения, примером которых мо­жет служить [1], пригодны для исполь­зования только под присмотром.

В продаже имеются насосные стан­ции различной производительности, но цены на станции с большим запасом воды в накопительном баке впечатляют. Поэтому самостоятельное изготовле­ние системы водоснабжения накопи­тельного типа позволяет сэкономить значительную сумму денег.

Продумывая конструкцию системы водоснабжения, содержащей источник воды, насос, трубы подвода и разбора воды, накопительный бак для неё, зная место установки системы и темпе­ратурные условия, в которых ей пред­стоит работать, можно представить возможные режимы работы, предви­деть аварийные ситуации и, исходя из этого, определить требования к систе­ме в целом и её блоку управления в частности.

Эксплуатация системы водоснабже­ния должна быть безопасной, изготов­ление, монтаж, обслуживание и управ­ление — простыми, а блок управления и датчики — надёжными. Система долж­на быть способна безотказно работать годами, а блок управления — выявлять аварийные ситуации, сигнализировать о них и не допускать их развития.

Самые простые из всех возможных систем управления водоснабжением те, что оснащены электродными датчи­ками наличия воды и её уровня в нако­пительном баке. Их изготовление не требует большого объёма слесарных работ. Электроды легко снять для про­мывки бака и других профилактических работ, по завершении которых их легко установить обратно. Подобная конст­рукция описана в [2].

Однако известно, что нержавеющая сталь электродов и накопительного бака содержит, кроме железа, легирую­щие добавки — никель, марганец, хром и другие металлы. Попадая в питьевую воду, а с ней в организм, они негативно влияют на здоровье. Поэтому при изго­товлении блока управления, работаю­щего с электродными датчиками уров­ня, нельзя обходить вниманием биоло­гическую безопасность. Нужно мини­мизировать происходящие на электро­дах электрохимические процессы и электролиз воды. Для этого приложен­ное к электродам напряжение должно быть низким и подаваться кратковре­менными импульсами.

Приступая к разработке системы во­доснабжения, следует учитывать осо­бенности водяных насосов. По принци­пу действия их можно отнести к двум основным типам: вибрационные и цент­робежные. Интенсивно работающие в скважине вибрационные насосы вызы­вают повреждения резиновых или пластмассовых водопроводных шлан­гов за счёт их трения об обсадную тру­бу. Если через повреждённый шланг вода перестанет поступать в систему, насос станет работать непрерывно, по­ка не выйдет из строя, либо не будет выключен автоматикой или человеком. В таких случаях приходится срочно устранять неисправность, что особенно трудоёмко и неприятно зимой.

Возможно и ухудшение качества во­ды частицами протирающегося шланга, особенно если он резиновый. Если алюминиевый корпус насоса касается стальной обсадной трубы, возникает контактная разность потенциалов, при­водящая к электрохимической корро­зии стали трубы и алюминия корпуса. Всё может закончиться проникновени­ем воды к обмотке насоса и её повреж­дением.

Замечено, что использование насо­са в алюминиевом корпусе заметно ухудшает вкус воды даже при полиэти­леновых обсадных трубах. А особенно это заметно при обсадных трубах из чёрной или нержавеющей стали. Если такая вода используется для питья и приготовления пищи, происходит по­степенное отравление организма рас­творёнными в ней алюминием, желе­зом и легирующими металлами. Луч­шее решение этой проблемы — приме­нение пластмассовой обсадной трубы и центробежного погружного насоса в корпусе из пластмассы или нержавею­щей стали.

После замены насоса с алюминие­вом корпусом на насос в корпусе из нержавеющей стали улучшение вкуса воды ощущается уже через сутки. По­этому применяемые в системах пить­евого водоснабжения погружные насо­сы не должны иметь корпусов и других соприкасающихся с водой деталей из алюминия или его сплавов с магнием.

Первое требование к блоку управле­ния системой водоснабжения — под­держивать заданный уровень воды в на­копительном баке. Второе требование — он не должен допускать работу насоса при пониженном или повышенном бо­лее чем на 10 % напряжении в питаю­щей электросети. Для управления насосом предпочтительно использовать электромагнитное реле или пускатель с нормально разомкнутыми контактами. Это гарантирует выключение насоса при типовых неисправностях блока управления или отсутствии напряжения в электросети.

Блок управления должен обязательно отключить насос при повреждении труб, идущих от насоса к накопительному баку. Это предотвратит неограниченную по времени работу насоса, сопровож­дающуюся заливкой водой близлежа­щих строений и территории. Блок дол­жен выключать насос, прекращая запол­нение накопительного бака и при про­течках трубопроводов распределения воды. Одновременно должна быть пере­крыта подача в них воды из накопитель­ного бака. Для выполнения этих тре­бований необходимо иметь датчики потока поступающей в бак воды и датчи­ки влажности в местах возможных про­течек. И наконец, блок управления не должен допускать перелива воды из на­копительного бака, поэтому необходим датчик предельного уровня воды в нём.

Практика работы самодельной сис­темы водоснабжения в автоматическом режиме десятилетиями показывает, что ни одно из описанных требований нель­зя считать лишним. Говоря об опыте эксплуатации блоков управления насо­сами, описанных в [3], следует сказать, что раз в год они нуждались в чистке контактов. Блок управления насосом с герконами требовал вмешательства раз в два-три года.

Предлагаемый вниманию читателей сравнительно простой блок управления системой водоснабжения накопитель­ного типа был сконструирован исходя

из перечисленных выше требований. Схема этого блока изображена на рис. 1. Простота и надёжность его работы обеспечена применением в качестве пороговых элементов и электронных ключей микросхем параллельных ста­билизаторов напряжения TL431ILP.

Питается блок управления от сети переменного тока напряжением 230 В, включают его кнопочным выключателем SB1. С помощью трансформатора Т1, диодного моста VD1 и сглаживающего конденсатора С1 из вторичного пере­менного напряжения 8,5 В получено постоянное напряжение (12 В при номи­нальном напряжении в сети). Оно посту­пает на узел контроля напряжения, собранный на микросхемах DA1, DA2, DA4. Идея этого узла найдена в [4].

Кроме того, выпрямленное напряже­ние через контакты кнопки SB3 и нор­мально замкнутые контакты реле К1.3 поступает на узел, собранный на тран­зисторах VT2 и VT3 согласно рекомен­дациям, имеющимся в [5]. Он генериру­ет импульсы амплитудой 12 В, длитель­ность которых задана ёмкостью конденсатора С4 и сопротивлением резистора R15, а период следования — ёмкостью того же конденсатора и сопротивлени­ем резистора R14.

Импульсы питают узел, собранный на микросхемах DA3 и DA5, транзисторе VT1 и реле К1 и К2. К этому узлу под­ключены электроды датчиков уровня Е1—ЕЗ и потока Е4, а также датчики влажности. Напряжение между электро­дами датчиков Е1—Е4 и корпусом нако­пительного бака — около 12 В, причём оно импульсное и приложено к электро­дам только во время определения уров­ня воды в баке.

Состояние микросхемы DA5 в тече­ние импульса зависит от наличия и сопротивления воды между датчиком нижнего уровня (электродом Е2) и кор­пусом бака. Если воды в накопительном баке нет или её уровень ниже электрода Е2, микросхема DA5 открывается (за­мыкает свою цепь анод—катод) и вклю­чает реле К2. Контакты К2.1 и К2.2 по­дают напряжение сети на водяной насос М1. Контакты К2.3, замкнувшись, оста­навливают генерацию импульсов. На­пряжение на коллекторе транзистора VT3 становится постоянным (около 12 В). Контакты К2.4 отключают электрод Е2.

После наполнения бака и замыкания водой электрода Е1 (датчика верхнего уровня) и корпуса бака происходит вы­ключение микросхемы DA5 и реле К2. Насос М1 останавливается, подача во­ды в бак прекращается.

Узлы, собранные на микросхемах DA1, DA2, DA4 и на микросхеме DA3, транзисторе VT1 и реле К1, предназна­чены для отключения насоса М1 в ава­рийных ситуациях, сигнализации об этом и удержания блока управления в режиме “авария”. Индикаторами рабо­чего и аварийного режимов служат со­ответственно светодиоды НИ и HL2. Насос выключается, прекращая подачу воды в накопительный бак, в следующих аварийных ситуациях.

Во-первых, при выходе напряжения питающей сети за пределы допуска (±10% номинального значения). Для этого непрерывно контролируется теку­щее значение нестабилизированного выпрямленного напряжения на конден­саторе С1, пропорционального напря­жению в сети. Микросхема DA1 закры­вается, a DA2 открывается, когда это напряжение ниже нижнего порога, уста­новленного подстроечным резистором R4. Микросхема DA4 открывается при превышении выпрямленным напряже­нием верхнего порога, установленного подстроечным резистором R13. В обоих случаях срабатывает и самоблокиру- ется К1 — реле аварийного отключения и сигнализации об аварии.

Второй аварийный режим возникает при неисправности насоса или в случае, когда насос работает, но вода в бак не поступает по причине, например, её от­сутствия в источнике или повреждения трубопровода. Когда струя поступаю­щей в бак воды, в которой находится электрод Е4, электрически не соеди­няет его с корпусом бака, происходит зарядка конденсатора С2. По достиже­нии напряжением на конденсаторе по­рогового напряжения микросхемы DA3 она открывается. Срабатывает реле аварии К1. Конденсатор С2 и резисторы R7, R8 создают задержку включения аварийного режима. Она необходима, чтобы при исправной системе вода успела после включения насоса запол­нить идущую в бак трубу, поступила в бак и попала на электрод Е4.

Следующий аварийный режим воз­никает при повреждении труб расхода воды или угрозе её перелива из бака. Определяется он с помощью датчиков влажности и электрода предельного уровня ЕЗ, а включается транзистором VT1, микросхемой DA3 и реле К1.

В любом аварийном режиме контак­ты реле К1.3 отключают генератор импульсов от напряжения питания 12 В, предотвращая этим подачу напряжения на насос. Одновременно контакты К1.4 блокируют реле К1 в сработавшем со­стоянии, а контакты К1.1 и К1.2 подают напряжение на обмотку электромагнит­ного клапана Y1. При этом нормально открытый клапан Y1 закрывается, пре­кращая подачу воды из бака в трубу рас­хода.

Восстановить подачу воды из нако­пительного бака можно выключением и последующим (после устранения ава­рии) включением блока управления кно­почным выключателем SB 1, а пере­крыть подачу воды из бака в рабочем режиме — кнопочным выключателем SB2. Замыкание его контактов приведёт к закрыванию электрогидроклапана Y1 и прекращению подачи воды в трубу рас­хода.

Если блок управления на время уст­ранения аварии не выключался, то пос­ле её устранения можно нажатием на кнопку SB3 снять блокировку и включить блок управления в работу. Кнопочный выключатель SB4 позволяет включить насос и подать воду в накопительный бак и при выключенном блоке управле­ния.

Подбор элементов конструкции луч­ше начинать с комплекта реле и транс­форматора питания. Реле должны иметь по четыре группы контактов. Плавкие вставки FU2 и FU3 выбирают согласно инструкции по эксплуатации насоса.

Автор применил реле К1 — РЭК78/4 5 А 12 В DC МЭК, реле К2 — РЭК77/4 10 А 12 В DC МЭК. Их параметры приве­дены в [6]. Оба реле размещены в кор­пусе блока управления. Они установле­ны в предназначенные для них розетки РРМ77/4 и РРМ78/4. Если указанные реле найти не удалось, то подбирают другие с рабочим напряжением катушек 12 В и четырьмя группами контактов на переключение. Контакты реле К2 долж­ны быть рассчитаны на коммутацию тока, превышающего пусковой ток дви­гателя насоса М1 или его утроенный рабочий ток.

Понижающий сетевой трансформа­тор Т1 должен иметь вторичную обмотку напряжением 8,5 В (без нагрузки). Чтобы оно не “просаживалось” при срабаты­вании реле К1 или К2, мощность транс­форматора должна быть в 15…20 раз больше суммарной, потребляемой ка­тушками реле. Обычно 50…100 Вт дос­таточно. Применять стабилизирован­ный источник напряжения 12 В нельзя, так как по значению этого напряжения блок управления контролирует напря­жение в сети.

Допустимо использовать реле с ка­тушками на 24 В и трансформатор с вто­ричным напряжением 17 В. При такой замене оксидные конденсаторы на 25 В нужно заменить конденсаторами на 35 или 50 В. Методика налаживания блока не меняется. Если напряжение на вто­ричной обмотке трансформатора за­метно больше 8,5 или 17 В, то между контактом 1 кнопки SB3 и контактом 10 реле К1 следует установить дополни­тельный интегральный стабилизатор напряжения 7812 или 7824 и питать его выходным напряжением 12 или 24 В генератор импульсов.

Транзистор ГТ402Г допускается заменить на ГТ403Б—ГТ403Д или дру­гим средней мощности транзистором структуры р-n-р. Предпочтительны гер­маниевые транзисторы или кремниевые с малым напряжением насыщения. Транзисторы КТ3102Е и КТ3107К заме­няют подобными маломощными тран­зисторами соответствующей структу­ры. Вместо диодного моста KBP206 по­дойдут, например, LT416, PBL405. Дио­ды 1N4148 можно заменить любыми другими с допустимым прямым током не меньше текущего через обмотки ре­ле и обратным напряжением больше рабочего напряжения их обмоток.

Электрогидроклапан Y1, который ус­танавливают на патрубке отбора воды из накопительного бака, должен быть нормально открытым, срабатывать от переменного напряжения 230 В и под­ходить по присоединительным разме­рам к используемым для отбора воды трубам.

Если рабочий ток катушек реле пре­вышает 0,1 А, интегральные стабилиза­торы DA3 и DA5 следует заменить поле­выми транзисторами, например BUZ11. При этом методика налаживания блока управления сохранится, но следует учи­тывать опасность статического элек­тричества для полевых транзисторов.

Электроды-датчики изготавливают из нержавеющей проволоки диаметром 2…5 мм или из полосы нержавеющей стали толщиной 0,5…1 мм и шириной 6…10 мм. Можно, например, использо­вать стальные несущие жилы, извлечён­ные из многожильных алюминиевых проводов. Электроды укрепляют на об­щей пластине из водостойкого изоля­ционного материала. Подключать к ним соединительные провода следует за пределами бака ввиду высокой влажнос­ти в нём. Электрод датчика потока Е4 закрепляют так, чтобы на него попадала струя поступающей в бак воды. Элект­род датчика предельного уровня ЕЗ рас­полагают ниже подводящего воду па­трубка, но обязательно выше электрода датчика верхнего уровня Е1.

Датчиками влажности служат участки сдвоенного медного провода, очищен­ные от изоляции на длине 50 мм и рас­положенные с шагом 100…500 мм по длине провода. Этот провод проклады­вают так, чтобы оголённые участки рас­полагались в местах, куда вода может стекать при переполнении бака или из неплотных стыков в водопроводной арматуре.

Собрать блок управления можно в любом корпусе из изоляционного мате­риала. Например, в корпусе от неис­правного источника бесперебойного питания, от которого можно использо­вать и трансформатор, если он остался исправным. В корпусе устанавливают контактную колодку XT 1 для подключе­ния проводов, идущих к датчикам.

Печатная плата, на которой находят­ся почти все элементы блока, изобра­жена на fig. 2. Монтировать их на плату лучше поэтапно с проверкой и налажи­ванием каждого собранного узла. Начи­нают работу с выпрямителя и узла конт­роля напряжения, далее монтируют генератор импульсов и проверяют их наличие. Затем собирают узел управле­ния насосом на микросхеме DA5 и реле К2 и проверяют его работу. Последним собирают узел контроля аварийных ситуаций на транзисторе VT1 и микро­схеме DA3 и проверяют его работу. После этого можно устанавливать в кор­пус выключатели, контактную колодку, трансформатор, реле, плату и соеди­нять их между собой. Чтобы монтаж был безошибочным, требуется вниматель­ность.

Налаживание собранного блока уп­равления начинают с проверки посто­янного напряжения на конденсаторе С1 и наличия импульсов на коллекторе транзистора VT3. Опытным путём опре­деляют продолжительность слива воды из бака от электрода Е1 до электрода Е2. Затем устанавливают такой же про­должительность паузы между импуль­сами, уменьшая или увеличивая ём­кость конденсатора С4 и сопротивление резистора R14. Для указанных на схеме номиналов длительность импульса — около 5 с, а паузы между импульсами — 1 мин.

Налаживание заканчивают установ­кой верхнего и нижнего порогов в узле контроля сетевого напряжения. Для этого удобно применить лабораторный регулируемый автотрансформатор (ЛАТР). Работу выполняют в следую­щем порядке. Электрод датчика потока Е4 соединяют перемычкой с общим проводом блока (контактами 1 и 6 ко­лодки ХТ1). Выводы контактов реле К2.4 также соединяют перемычкой. Движок подстроечного резистора R4 устанавливают в верхнее, а движок подстроечного резистора R13 — в ниж­нее по схеме положение. С помощью ЛАТР устанавливают подаваемое на первичную обмотку трансформатора Т1 напряжение равным 230 В. Не торо­пясь, снижают напряжение на этой обмотке, устанавливая его равным 207 В. Движок подстроечного резисто­ра R4 медленно перемещают вниз (по схеме), пока не сработает реле К1. Уве­личивают до 230 В напряжение, сни­маемое с ЛАТР, и нажатием на кнопку SB3 отменяют режим “Авария”. Теперь с помощью ЛАТР повышают напряже­ние до 253 В. Сделав это, движок подстроечного резистора R13 медленно перемещают вверх (по схеме), вновь добиваясь срабатывания реле К1. Вы­ключив питание блока, снимают пере­мычку, соединяющую электрод Е4 с общим проводом.

Далее проверяют работу датчика потока Е4. Для этого отключают насос и отсоединяют электроды Е1 и Е2 от уп­равляющего входа микросхемы DA5. Через 20…40 с после включения блока в сеть реле К1 должно сработать. Затем блок выключают, снимают перемычку с контактов К2.4 и подключают датчики Е1 и Е2. После этого проверяют работу датчика влажности, прикладывая влаж­ную ткань к оголённым участкам его проводов.

При обустройстве системы водо­снабжения следует учитывать темпера­турный фактор. Трубы, подводящие воду от источника, должны быть прямы­ми и иметь постоянный уклон 20…30 мм на метр длины в сторону источника воды. Это исключит замерзание воды в трубах, поскольку после остановки центробежного насоса она стечёт че­рез насос обратно в источник. На­копительный бак должен быть установ­лен выше всех потребителей в отапли­ваемом помещении или на чердаке (где теплоизолирован вместе с дымохо­дом).

Блок управления системой водо­снабжения устанавливают в любом удобном месте. Может оказаться полез­ной замена светодиода HL2 пьезоиз­лучателем звука с встроенным генера­тором, например КРЕ-842. В этом слу­чае резистор R2 рекомендуется заме­нить любым выключателем, чтобы иметь возможность отключать звуковой сигнал аварии.

LITERATURA

1. Субботин А. Блок управления садовым электронасосом. — Радио, 1984, № 1, с. 30, 31.
2. Калинский А. Автоматическое управ­ление электронасосом: Сб.: “В помощь радиолюбителю”, вып. 103, с. 3—10. — М.: ДОСААФ, 1989.
3. Муратов М. Автоматизация водоснаб­жения индивидуального дома. — Радио, 2005, № 11, с. 36, 37.
4. Шрайбер Г. 300 схем источников пита­ния. — М.: ДМК, 2000.
5. Горошков Б. И. Радиоэлектронные устройства. — М.: Радио и связь, 1984.
6. Реле промежуточные модульной се­рии. — URL: http://www.elec.ru/files/2010/ 11/1 9/Tehnicheskoe-opisanie-rele- promezhutochnyh.pdf (20.04.15).

Autor: М. МУРАТОВ, г. Уфа