Периферия для терморегуляторов

В статье автор рассматривает на аппаратном уровне вопросы взаимодействия терморегулятора и периферийных устройств, которые могут быть подключены к нему при организации локальной АСУТП. Приводит пример локальной АСУТП, реализующей заданный алгоритм обогрева с применением терморегулятора и контроллера.

В настоящее время уровень автоматизации в промыш­ленности, в сфере ЖКХ и в других отраслях неуклонно рас­тет. Ни для кого не секрет, что сложность объекта автома­тизации предопределяет сложность и стоимость АСУ, управ­ляющую зтим объектом. Можно добавить, что стоимость АСУ еще определяется и ««глубиной» автоматизации.

И тем не менее недорогие, локальные АСУ ТП где реша­ются такие задачи как, выпекание хлеба, обжиг кирпича, закалка стальных деталей и пр. никуда не денутся, они по-прежнему актуальны. В технической литературе, кроме ло­кальной АСУ ТП встречается еще такой термин как локаль­ные регуляторы. Локальные регуляторы — это устройства, которые сочетают в себе функции измерения технологичес­кого параметра, его индикации и управления этим парамет­ром. Как правило, локальные регуляторы контролируют не более 10 технологических параметров, территориально рас­положены близко от объекта автоматизации и не позволяют вносить изменения в алгоритм регулирования.

Уровни АСУ ТП

В структуре любого программно-аппаратного комплекса (ПАК) или распределенной системы управления и сбора дан­ных для АСУ ТП можно выделить несколько уровней. Огово­римся, это деление весьма приблизительное и условное.

1. Первый уровень: первичные средства измерения (дат­чики температуры, тензодатчики, датчики давления и пр.), шаговые двигатели, концевые выключатели и т. д.
2. Второй уровень; вторичные измерительные преобразо­ватели, нормирующие усилители, терморегуляторы, реле вре­мени и т. д.
3. Третий уровень: устройство связи с объектом, контрол­лер узла шины (шинный контроллер) модули аналогового и дискретного ввода.
4. Четвертый уровень: автоматизированное рабочее ме­сто оператора (АРМ оператора).

Нетрудно увидеть, что аппаратная часть локальных АСУ ТП, представлена на первом и втором уровне. И, при нали­чие сетевых интерфейсов у приборов и оборудования второ­го уровня, их легко можно подключить к более высокому уровню ПАК.

Главным функциональным узлом в локальной автомати­зированной системе управления обогрева (или охлаждения) технологического процесса, вокруг которого строится сама система, является терморегулятор (измеритель-регулятор). Терморегуляторы (многоканальные, одноканальные) предназ­начены в основном для измерения и автоматического регу­лирования температуры в системах обогрева и охлаждения. Решаемые, при этом задачи:

• многоканальное или одноканальное регулирование тем­пературы;
• регулирование разности температур между каналами;
• работа в режиме 2-х, 3-х позиционного или ПИ- ПИД-реулирования температуры;
• сигнализация различных температурных режимов;
• измерение, сигнализация, регулирование температуры в распределенных, автоматизированных системах управ­ления технологическими процессами и т. д.

Структура терморегулятора

Функциональная схема двухканального терморегулятора с подключенными датчиками температуры (термопреобразо­вателями сопротивлений) представлена на рис.1.

Многоканальный терморегулятор содержит следующие ап­паратные устройства:

• устройство ввода информации (аналого-цифровой преоб­разователь с коммутатором каналов);
• устройство управления (микроконтроллер, ПЗУ с записан­ной в него программой, энергонезависимое запоминаю­щее устройство, в котором сохраняются параметры регу­лятора при отключенном питании);
• устройство формирования выходных сигналов;
• пульт управления с индикаторами режимов работы регу­ляторов и состояния выходных сигналов;
• встроенный формирователь сетевых интерфейсов (RS-485, CAN, PROFIBUS и пр.);
• встроенный блок питания.

В состав каждого канала измерения и регулирования тер­морегулятора, как правило, входят следующие функциональ­ные узлы: универсальный вход, блок обработки данных, вы­ходное устройство.

Под универсальным входом понимается устройство, к которому подключаются первичные датчики (термопары, тер­мопреобразователи сопротивления, датчики с унифицирован­ными выходными сигналами). Если, например, к входу под­ключается термопреобразователь сопротивления ТПС, то его сопротивление преобразуется в соответствии с его номиналь­ной статической характеристикой (НСХ) в значение измерен­ной температуры. Измеряемое сопротивление преобразует­ся аналого-цифровым преобразователем в цифровой код, по­ступающий на микроконтроллер блока обработки данных. В блоке обработки данных цифровое значение измеряемой ве­личины может быть подвергнуто фильтрации (для уменьше­ния влияния случайных помех), коррекции, масштабированию. Микроконтроллер блока обработки данных, работая по заданной программе, управляет состоянием выходных уст­ройств, обменом информацией по интерфейсу, и т. д.

Полученное значение отображается на измерительном индикаторе терморегулятора. Тип применяемого первичного датчика и диапазон измерения устанавливается отдельно для каждого канала при конфигурировании (начальной установ­ке). Каждый ПИД-регулятор, выполняет сравнение измерен­ного значения канала с заданными величинами (уставками). ПИД-регулятор обрабатывает сигнал рассогласования между измеренным сигналом и уставкой и выдает сигнал управле­ния на широтно-импульсные модуляторы. Параметры работы и функции ПИД-регуляторов задаются независимо для каж­дого канала.

Выходные сигналы терморегуляторов с выходных уст­ройств управляют внешними исполнительными устройствами. Выходное устройство может быть ключевым или аналоговым. В качестве ключа может применяться транзистор с откры­тым коллектором, транзисторная оптопара, симисторная оп­топара, электромагнитное реле. Аналоговое выходное уст­ройство, как правило — это аналоговый выход по току или по напряжению. Выходные устройства терморегуляторов галь­ванически развязаны от остальной схемы терморегулятора.

Компараторы Н и L предназначены для сигнализации вы­хода измеряемого технологического параметра за допусти­мые пределы. Встроенный выходной с законченными сете­выми интерфейсами управления RS-422, RS-485; САМ, USB, PROFIBUS, Ethernet, и пр. — необходимая опция современ­ного терморегулятора.

Локальная АСУ ТП

На рис.2 приведена структурная схема локальной АСУ ТП с реализацией одноканального 2-х позиционного регули­рования.

В данном случае терморегулятор управляет тепловой пуш­кой, в состав которой входит нагреватель и вентилятор. Ана­логичная схема может применяться для многоканальных тер­морегуляторов, каждый канал которых может управлять не­

зависимым нагревателем (или холодильником) и контролиро­вать соответствующие температуры нагрева (в соответствую­щих зонах нагрева). Периферия для терморегулятора, (кроме конечно датчиков температуры) представляет собой различ­ные коммутационные устройства. Мощные силовые — для вклю­чения нагрузок (нагревателей, вентиляторов, холодильников (чипперов)). Управляющие коммутационные устройства: репе времени, блоки реле, а так же кнопки, индикаторы, средства световой и звуковой сигнализации, позволяют реализовать, как правило, несложный алгоритм контроля и управления про­цессом при 2-х, 3-х позиционном регулировании.

Есть огромное множество задач, в которых заданная тем­пература должна поддерживаться определенное время. Для решения таких задач есть программные регуляторы (напри­мер, Метакон-613, Метакон-614, описание которых приведе­но в [1]). Но в некоторых случаях может оказаться более целесообразным и дешевым применение обычного регуля­тора и реле времени. Например, имеется электрическая печь для закалки деталей. Все операции по закладке деталей в печь, выемки из печи совершаются термистом вручную. Вы­держка деталей при температуре (Т±ΔТ)°С, производится в течение t часов. Отсчет времени должен начинаться с мо­мента достижения температурой уставки, (то есть Т°С) так как при помещении детали в печь, последняя успевает ос­тыть ниже допустимого уровня. Через t часов для термиста необходимо включить световую и звуковую сигнализацию.

На рис.3 приведена структурная схема локальной АСУ ТП с реализацией ПИД-регулирования для электроприводной арматуры.

При применение многоканальных терморегуляторов, каж­дый канал обеспечивает управление своим клапаном с при­водом от однофазного электродвигателя и сигнализацию по двум независимым уровням.

Для реализации разнообразных алгоритмов работ различ­ных локальных АСУ ТП, вместе с терморегулятором вполне обосновано применение плат контроллеров (на базе микро­контроллеров семейств PIC, MCS-51, AVR и пр.), которые поз­воляют реализовать более сложные алгоритмы работ АСУ ТП и с меньшими затратами, по сравнению с релейной автома­тикой. Приведем конкретный пример применения 2-х каналь­ного терморегулятора TPM202 с платой контроллера на ба­зе контроллера AT89C4051-24PU. Функцию поддержания за­данных температур, в системе выполняет терморегулятор ТРМ202 фирмы «ОВЕН». Он зарегистрирован в российском Госреестре средств измерений.

Система обогрева помещения

В производственных (складских) помещениях в вечернее и ночное время, при отсутствии рабочего персонала, эконо­мию энергоресурсов можно получить за счет понижения тем­пературы обогреваемых помещений. Предлагаемая система обогрева позволяет автоматически поддерживать заданные температуры в дневное и ночное время.

Сформулируем основные требования к системе обогре­ва (далее — система).

• система должна автоматически поддерживать в двух ин­тервалах времени (дневном и ночном) в диапазоне от 1 мин до 24 ч заданные температуры (в каждом задан­ном временном интервале своя заданная температура);
• система работает в режиме реального времени;
• в качестве источника разогрева применяется мощная теп­ловая пушка.

Функциональная схема системы представлена на рис.4. Основные функциональны узлы; терморегулятор А1; пла­та контроллера А1; нагреватель А3. Нагреватель состоит из блока симисторного А3.1, и тепловой пушки: электронагре­вателя А3.2 и вентилятора А3.3. Временная диаграмма, по­ясняющая алгоритм работы системы представлена на рис.5. В терморегуляторе ТРМ202 имеется два независимых канала измерения и поддержания заданной температуры №1 и №2. Заданные температуры (дневная и ночная) и другие параметры каналов программируются заранее. Выходные сиг­налы терморегулятора поступают на плату контроллера А2. Выходные сигналы платы контроллера обеспечивают управ­ление нагревателя. Можно сказать, что плата контроллера обеспечивает подержание заданных температур в заданные интервалы времени. На плате контроллера реализован тай­мер, который функционирует в режиме реального времени.

До момента времени t1 (рис.5) система поддерживает тем­пературу, заданную в канале №1 терморегулятора (дневная температура). С момента времени t1 до момента времени t2 система поддерживает температуру, заданную в канале №2 терморегулятора (ночная температура). Интервал поддержа­ния ночной температуры (Δt = t2 – t1) программируется.

У мощных тепловых пушек при выключении во избежание нагрева корпуса необходимо, сна­чала выключить электронагреватель, а потом с некоторой задержкой вентилятор. То есть после выключения электронагревателя производится его обдув, до тех пор, пока температура возду­ха на выходе тепловой пушки не снизится до температуры воздуха в помещении. Понятно, что требуемая задержка времени АН при выключе­нии вентилятора зависит от технических харак­теристик тепловой пушки (мощность, производи­тельность, габаритные размеры и т. д.). Плата контроллера реализует вышеуказанную функ­цию — осуществляет задержку между выключе­нием электронагревателя и вентилятора. Дан­ный интервал времени (задержка) — програм­мируется. В алгоритме работы платы контрол­лера можно выделить шесть режимов работы.

• Режим №1 (часы 1): отсчет и индикация текущего времени; минуты — секунды.
• Режим № 2 (часы 2): отсчет и индикация текущего времени: часы — минуты.
• Режим № 3 (время 1): задание и индика­ция значение времени t1 (начало интервала под­держания ночной температуры).
• Режим № 4 (время 2): задание и индика­ция значение времени t2 (конец интервала под­держания ночной температуры).
• Режим № 5 (задержка): задание и инди­кация значение задержки Δt1 (временная за­держка выключения вентилятора после выклю­чения электронагревателя).
• Режим № 6 (контроль задержки): визу­альный контроль увеличения (инкремент) вре­мени задержки Δt1, начиная с нулевого значе­ния (текущее значение). Как только текущее зна­чение сравняется с заданным, сразу выключа­ется вентилятор в тепловой пушке. На дисплее снова индицируется нулевое значение.

Принципиальная схема системы приведена на рис.6.

Нагреватель А3 подключается к плате кон­троллера через соединитель Х3. Терморегулятор А1 подключается к плате контроллера А2 через жгут 1. Принципиальная схема нагревателя в ста­тье не приводится. Нагреватель состоит из бло­ков симисгорных, электронагревателя и вентиля­тора. Управляющие сигналы с соединителя Х3 платы контроллера поступают на управляющие входы блоков симисторных, которые подключают к сетевому напряжению электронагреватель и вентилятор. Номинальная мощность нагревате­ля определяется объектом регулирования.

В таймере предусмотрены следующие функ­ции — счет реального времени, индикации текущего времени в 24-часовом формате в режимах часы-мину- ты и минуты-секунды; установка текущего времени; установ­ка времени включения времени t1 и времени включения вре­мени t2, установка задержки Δt1 выключения вентилятора. Все вышеуказанные параметры могут быть перепрограммирова­ны. Если текущее время совпало с установленными значени­ями t1 и t2, то на 10 с включается звуковая сигнализация, с частотой повторения 1 Гц.

Интерфейс управления системы, состоит из лицевой па­нели терморегулятора и органов управления платы контрол­лера. Интерфейс платы контроллера включает в себя: кла­виатуру (кнопки S1…S5), световые полосы HL1…HL2, и блок индикации (дисплей) из шести цифровых семисегментных ин­дикаторах HG1…HG6.

Кнопки клавиатуры имеют следующее назначение:

• S1 (Р) — выбор режима работы часов: «часы 1», «часы 2», «время 1», «время 2», «задержка», «контроль задержки»;
• S2 (Л) — увеличение на единицу значение каждого раз­ряда при установки времени в режиме «часы 2», а так­же при установки времени в режиме «время 1», «вре­мя 2», «задержка», «контроль задержки»;
• S3 (В) — выбор разряда, при установки текущего значе­ния времени в режиме «часы2» и в режимах «время 1», «время 2», «задержка», «контроль задержки». В вы­бранном разряде включается точка h;
• S4 (С) — кнопка пуск/стоп. Данной кнопкой разрешает­ся/запрещается счет времени;
• S5 (К) — кнопка выбора каналов температуры (№ 1 или № 2) терморегулятора А1 к микроконтроллеру DD2 при те­кущем времени. Если выбран канал температуры № 1 — включена световая полоса HL1, к микроконтроллеру DD2 подключен выход № 1 терморегулятора, если выбран ка­нал температуры № 2 — включена световая полоса HL2, соответственно к микроконтроллеру DD2 подключен вы­ход № 2 терморегулятора.

Алгоритм работы системы обогрева следующий. После по­дачи питания, нужно задать следующие параметры:

• в терморегуляторе А1 — значения уставок для каналов №1 и №2;
• на плате контроллера:

1. значение времени t1;
2. значение времени t2;
3. значение времени задержки.

Допустим, что для канала №1 терморегулятора задана ус­тавка (значение температуры) равное Т1 (дневная темпера­тура). Для канала №2 терморегулятора задана соответст­венно уставка равная Т2 (ночная температура). Допускаем так же, что включаем систему в дневное время и текущая температура меньше Т1. После нажатия на кнопку S4 ( С) (пуск/стоп) лог. «0» с вывода 5 клеммной колодки ХT1 тер­морегулятора поступает, через жгут 1 и контакт 1 соедини­теля Х2, через замкнутые контакты 1, 7 реле DA1 на вывод 9 микроконтроллера DD2. (На выводе 11 микроконтроллера присутствует лог. «1»),

При этом, микроконтроллер DD2 выставляет лог. «0» на выводы 2, 3. Включаются соответственно реле DA2, DA3. В данных реле, через замкнутые контакты 7, 4 напряжения +24 В поступает через соединитель Х3 на управляющие вхо­ды составных частей нагревателя. В тепловой пушке одно­временно включатся электронагреватель и вентилятор.

Как только текущая температура достигнет заданной ус­тавки, выходная оптопара канала № 1 терморегулятора за­крывается. Лог. «1» с вывода 5 клеммной колодки XT 1 тер­морегулятора поступает на вход 9 микроконтроллера DD2. При этом микроконтроллер выставляет лог. «1» на вывод 2 и через время равное Δt1 лог. 1 на вывод 3. Тем самым, выключая сначала в тепловой пушке электронагреватель и через время равное Δt1 вентилятор. Подобные циклы вклю­чения и выключения тепловой пушки будут поддерживать тем­пературу в помещении равную заданной уставке T1. Пусть текущее время стало равным значению t1 (начало ночного интервала времени). Тогда микроконтроллер DD2 устанавли­вает лог. «0» на выводе 11, включая реле DA1. В данном репе замыкаются контакты 7, 14. Теперь на вывод 9 микро­контроллера DD1 поступает сигнал с вывода 8 клеммной ко­лодки ХГ1 терморегулятора. То есть подключается канал №2 терморегулятора. Теперь тепловая пушка будет поддерживать температуру в помещении равную заданной уставке Т2.

Пусть текущее время стало равным значению t2 (конец ночного интервала времени). Тогда микроконтроллер DD1 ус­танавливает лог. 1 на выводе 11, отключая реле DA1. Сно­ва замыкаются контакты 1, 7 реле DA1. Теперь тепловая пуш­ка будет снова поддерживать температуру в помещении рав­ную заданной уставке Т1.

Рассмотрим основные, функциональные узлы принципи­альной схемы системы. Основой устройства служит микро­контроллер DD2, рабочая частота которого задается генера­тором с внешним резонатором ZQ1 с частотой 10 МГц. Пье­зоэлектрический излучатель ВА1 включается с вывода 15 ре­гистра DD1. Сигнал с выхода 13 микроконтроллера через ре­зистор R16 периодически (с периодом 1 сек) включает сег­мент g индикатора HG3. Клавиатура собрана на кнопках S1…S5. Для функционирования клавиатуры так же задействован вы­вод 8 микроконтроллера DD2. Резисторы R17, R18 — токоог­раничительные для световых полос HL1 и HL2.

Выходные сигналы с каналов №1 и №2 терморегулятора А1 подключаются к выводу 9 микроконтроллера DD2 через контак­ты реле DA1. Само репе управляется с вывода 11 микроконт­роллера DD2. Каналы управления нагревателем и вентилятором собраны соответственно на реле DA2 и DA3, которые соответст­венно управляются с выводов 2 и 3 микроконтроллера DD2.

Динамическая индикация собрана на: регистре DD1; тран­зисторах VT1…VT5; цифровых семисегментных индикаторах HG1…HG2, HG4…HG6 (HG2, HG4…HG6 расположены в бло­ках IND2…IND5 на рис.4). Питающие напряжения поступает на плату контроллера с соединителя Х1. Конденсатор С1 филь­трует пульсации в цепи питания +5 В. Сразу после подачи питания на выводе 1 микроконтроллера DD1 через RC-цепь (резистор R2, конденсатор С4) формируется сигнал систем­ного аппаратного сброса микроконтроллера DD2. Дальше идет инициализация программы, в которой задаются начальные параметры работы системы. Далее идет счет текущего вре­мени и разрешается работа устройства по приведенному выше алгоритму. Цифровая часть принципиальной схемы ус­тройства гальванически развязана от сети, и от напряжения управления нагревателем и вентилятором +24 В.

Автор: Сергей Шишкин, г. Саров
Источник: Электрик №10, 2016