Управление электрическим отопительным котлом

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: автоматика в доме

Опубликовано: 25.03.2017 09:32

Просмотров: 3981

Б. КИБА, г. Каменск-Шахтинский Ростовской обл.
Предлагаемый микроконтроллерный блок управления разработан и изготовлен взамен не обеспечивающего достаточного удобства эксплуатации штатного блока управления электрического котла отопления "ЭВАН ЭПО-7,5/220 В". Он может быть применён и для управления другими электронагревательными приборами. После покупки  и установки  котла "ЭВАН ЭПО-7,5/220 В" выявились недостатки блока управления, которым он укомплектован. Главный из них — одновременное включение и выключение трёх установленных в котле электронагревателей. Возникающие при этом броски тока и перепады напряжения в сети настолько велики, что вызывают сбои в работе некоторых, питающихся от неё же, электронных приборов. Случались даже выходы их из строя. Кроме того, мощный контактор, периодически включавший и выключавший нагреватели для поддержания заданной температуры, грохотал на весь дом, а висевший на стене блок, в котором он был установлен, при этом "подпрыгивал", пока не упал и не разбился. Было решено не ремонтировать этот блок, а разработать и изготовить новый, по возможности устранив недостатки и расширив выполняемые функции.

Новый блок управления был сделан четырёхканальным с электронной коммутацией. Три канала управляют нагревателями с разносом по времени, что значительно снижает броски потребляемого от сети тока. Контактор используется лишь для аварийного отключения нагревателей в случае перегрева котла. Четвёртый канал управляет водяным насосом системы отопления. Предусмотрен режим быстрого разогрева котла до заданной температуры при выключенном насосе с последующим его включением для подачи горячей воды в систему отопления.
Новая система, как и старая, стабилизирует температуру воды на выходе из котла, хотя есть возможность переключиться на её стабилизацию на входе. Если подключить к блоку управления датчик температуры воздуха в помещении, система автоматически переходит в режим стабилизации этого параметра.
Схема нового блока управления вместе с датчиками температуры и исполнительными устройствами (нагревателями и водяным насосом) изображена на рис. 1.
 
 Систему отопления включают и выключают выключателем SA1, подающим сетевое напряжение на модуль питания. После этого начинают работать все остальные модули блока управления. На нагреватели ЕК1—ЕКЗ напряжение 220 В поступает через контактор КМ1, автоматы защиты сети SA3—SA5 и модуль симисторных коммутаторов, управляемых сигналами, формируемыми в микроконтроллерном модуле. Тип контактора — NC1-25. Когда котёл нормально работает, его контакты замкнуты.
Цепь управления двигателем М2, приводящим в движение водяной насос, в которую входят автомат SA2 и один из каналов симисторного модуля, отличается лишь тем, что её размыкание контактором КМ1 не предусмотрено. Это необходимо, чтобы в случае аварийного отключения нагревателей насос продолжил работать, обеспечивая циркуляцию воды в системе отопления и её ускоренное охлаждение. Теплоотводы симисторов, коммутирующих нагреватели и насос, обдувает двухскоростной компьютерный вентилятор М1 типоразмера 80x80x20 мм с напряжением питания 12 В.
К модулю симисторных коммутаторов подключены двухцветные свето-диоды HL1—HL4. Их кристаллы красного цвета свечения включаются при подаче сетевого напряжения на входы соответствующих симисторных коммутаторов, а зелёные — при открывании их симисторов. В последнем случае цвет свечения светодиода становится жёлтым, это сигнализирует о том, что на нагреватель или насос сетевое напряжение подано. Диоды VD1—VD8 защищают светодиоды от обратного напряжения.
Датчики температуры воды на выходе из котла (ВК1), на его входе (ВК2), а также температуры воздуха в отапливаемом помещении (ВКЗ) подключены к микроконтроллерному модулю через модуль питания и межмодульных соединений. На выводах датчиков ВК1 — ВКЗ смонтированы детали фильтров (соответственно R1C1, R2C2, R3C3). К выводам 1, 2 датчиков и свободным выводам резисторов припаяны, согласно схеме, провода коротких отрезков стандартных USB-кабелей с вилками разъёмов USB-A.
В качестве корпусов для датчиков ВК1 и ВК2 использованы стандартные автомобильные датчики температуры охлаждающей жидкости 19-3828, из которых удалены все "внутренности". Датчики DS18B20 вместе с припаянными к ним деталями и концами кабелей вставлены в образовавшиеся полости и залиты автомобильным герметиком.
После затвердевания герметика датчик ВК1 ввинчивают на место ранее имевшегося датчика температуры воды на выходе из котла. Диаметр и шаг резьбы подходят. Чтобы установить датчик ВК2, необходимо сделать вставку с резьбовым отверстием в трубопроводе, подводящем воду к котлу.
На датчик ВКЗ и конец ведущего к нему кабеля для защиты от внешних воздействий надевают отрезок термоусаживаемой трубки. Этот датчик помещают в удалённом от источников тепла и защищённом от сквозняков месте отапливаемого помещения.
С разъёмом Х5 модуля питания и межмодульных соединений датчики ВК1—ВКЗ соединены кабелями, сделанными из USB-удлинителей с кабельными розетками USB-A.
В качестве термовыключателя SF1, сигнализирующего о недопустимом перегреве воды, использован ТМ108 -стандартный автомобильный выключатель вентилятора системы охлаждения двигателя. Место для его установки в котле имеется, шаг и диаметр резьбы подходят. Контакты этого выключателя замыкаются, когда температура воды в котле достигает 92 °С, что приводит к немедленному отпусканию якоря контактором КМ1 и выключению всех нагревателей. Размыкаются контакты выключателя SF1 при понижении температуры воды до 87 °С.
Для анализа сигналов датчиков и формирования сигналов управления нагревателями и другими устройствами системы применён универсальный микроконтроллерный модуль, описанный в [1], со специально разработанной программой. Чтобы взамен графического ЖКИ подключить к нему светодиодные индикаторы, модуль подвергся небольшой доработке. Удалён регулировавший контрастность ЖКИ подстроечный резистор R15 (нумерация элементов модуля — согласно схеме на рис. 1 в [1]). Освободившиеся в результате этого два контакта разъёма Х4 использованы для передачи дополнительных сигналов управления светодиодными индикаторами. Для этого контакт 2 соединён с выходом РС7 (выводом 28), а контакт 18 — с выходом PD7 (выводом 30) микроконтроллера DD1.
Схема подключаемого к микроконтроллерному модулю взамен ЖКИ модуля светодиодной индикации и управления изображена на рис. 2.
 
 В нём установлены трёхразрядные семиэлементные светодиодные индикаторы HG1 — HG3 с общим катодом, на которые выводятся сведения о работе котла.
Они зависят от выбранного режима работы системы отопления.
Информацию для отображения на индикаторах HG1—HG3 микроконтроллер формирует в виде последовательного 24-разрядного кода, который три соединённых последовательно восьмиразрядных сдвиговых регистра преобразуют в параллельный код, подаваемый на аноды элементов индикаторов. Первый из этих регистров находится в микроконтроллерном модуле (DD2 по его схеме). Он обслуживает индикатор HG1. Два других (DD1 и DD2 в рассматриваемом модуле индикации) обслуживают соответственно индикаторы HG2 и HG3. Первым в 24-разрядный регистр загружается значение старшего разряда регистра DD2, последним — значение младшего разряда регистра DD2 микроконтроллерного модуля.
Светодиоды HL1—HL3 модуля индикации отображают сформированные микроконтроллерным модулем сигналы управления нагревателями, соответственно ЕК1, ЕК2 и ЕКЗ. Светодиод HL4 включается, когда температура воды в котле падает, a HL5 — когда она растёт. С помощью кнопок SB1—SB4 переключают режимы работы системы и изменяют их параметры. Схема модуля симисторных коммутаторов представлена на рис. 3.
 
 В нём четыре одинаковых канала. Позиционные обозначения элементов каждого из них снабжены префиксами, совпадающими с номерами каналов. Управляющие сигналы, сформированные микроконтроллерным модулем, поступают через разъём Х1 на излучающие диоды симисторных оптронов 1U1—4U1, обеспечивающих гальваническую развязку между управляющими и исполнительными цепями.
Применённые оптроны МОС3063 [2] имеют узлы привязки моментов открывания фотосимисторов к моментам перехода приложенного к ним напряжения через ноль. Это значительно уменьшает уровень коммутационных помех. Исполнительные элементы коммутаторов — мощные симисторы 1VS1—4VS1, установленные на теплоотводах, которые обдувает вентилятор М1 (см. рис. 1).
Узел управления этим вентилятором, подключаемым к разъёму ХЗ, собран на транзисторе VT1. Сигнал включения вентилятора поступает от микроконтроллера на разъём Х2 одновременно с появлением на Х1 сигнала, включающего любой из нагревателей, а снимается спустя установленное время после выключения последнего из работавших нагревателей. Это обеспечивает быстрое охлаждение нагревшихся симисторов.
Все силовые входы (через резисторы 1R5—4R5) и выходы (через резисторы 1R6—4R6) каналов коммутации соединены с разъёмом ХР4, к которому подключают светодиоды-индикаторы подачи сетевого напряжения на входы (контакты ХТ1—ХТ4) коммутаторов и его появления на контактах разъёма Х5, к которым подключены нагреватели и насос.
 
На рис. 4 изображена схема модуля межмодульных соединений и питания маломощных узлов. Трансформатор Т1 понижает сетевое напряжение 220 В до 15 В, которое затем выпрямляет диодный мост VD1. После сглаживания пульсаций конденсаторами С2 и СЗ выпрямленное напряжение стабилизируют интегральные стабилизаторы DA1 и DA2. Первый выдаёт напряжение 12В для питания реле К1 и вентилятора М1 (см. рис. 1), второй — 5В для питания микроконтроллерного модуля. В модуле питания находится также узел управления контактором аварийного отключения нагревателей, состоящий из транзистора VT1 и реле К1.
Разъём ХЗ соединяют с микроконтроллерным модулем, а Х4 — с датчиками температуры. На разъём Х5 выведены сигналы управления нагревателями и насосом, а также питающие напряжения для модуля коммутации.
Детали каждого модуля блока управления котлом монтируют на отдельной печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5мм. Чертёж платы микроконтроллерного модуля имеется в [ 1 ]. Файлы печатных плат в формате Sprint Layout 5.0 и программа микроконтроллера скачать. Подстроечный резистор R15 на ней не устанавливают, а контакты 2 и 18 разъёма Х4 соединяют с указанными ранее выводами микроконтроллера перемычками из изолированного провода. Других доработок не требуется. Печатная плата модуля индикации и управления двусторонняя.
Чертёж её печатных проводников изображён на рис. 5, а расположение деталей — на рис. 6.
 
 
 Если эта плата будет изготавливаться по технологии без металлизации отверстий, в те из них, которые показаны на рис. 6 залитыми, необходимо вставить и пропаять с двух сторон короткие отрезки неизолированного провода. Выводы деталей также пропаивают с двух сторон.
Остальные печатные платы — односторонние. Чертёж платы модуля симисторных коммутаторов показан на рис. 7.
 
 Соединения электродов 1 симисторов с контактными площадками на печатной плате выполняют изолированными проводами сечением не менее 2,5 мм2. Вентилятор М1 закреплён на П-образных теплоотводах симисторов 1VS1—1VS4 (рис. 8).
 
 Для этого в верхних полках теплоотводов сделаны резьбовые отверстия, Чертёж платы модуля питания и межмодульных соединений изображён на рис. 9.
 
В устройстве применены постоянные резисторы МЛТ, С2-33, оксидные конденсаторы К50-35 или импортные, остальные конденсаторы — К73-17. Все микросхемы и индикаторы HG1—HG3 установлены в панели.
Блок управления отопительным котлом собран в корпусе от музыкального центра "LG" (рис. 10).
 
 На нижней металлической панели корпуса, которая стала задней панелью блока, закреплены все модули, контактор, автоматы защиты сети и другие крупные детали. Верхняя пластмассовая панель превратилась в переднюю. В ней сделаны отверстия для индикаторов и кнопок управления, а также для доступа к выключателю SA1 и автоматам защиты сети SA2—SA5. Боковые стенки корпуса обрезаны до нужных размеров. В нижней его части расположены разъёмы для подключения датчиков температуры и внешних силовых цепей. Силовые цепи блока выполнены изолированным монтажным проводом сечением не менее 2,5 мм2. 
Управляют котлом с помощью четырёх кнопок, установленных в блоке индикации и управления. Изменить температуру стабилизации можно в любой момент кнопками SB4 "+" и SB3 "-". Если датчик, измеряющий температуру воздуха в помещении, не подключён, стабилизируется температура воды в котле. С подключением этого датчика на индикатор выводятся его показания и стабилизируется температура в помещении.
На индикатор HG1 модуля индикации и управления в рабочем режиме выводится при наличии датчика ВКЗ заданная температура воздуха в помещении, а без него — заданная температура воды в котле (на выходе или на входе в зависимости от установленного режима). На индикатор HG2 выводится измеренная температура воздуха в помещении или воды на выходе из котла. На индикатор HG3 при подключённом датчике температуры воздуха будет выведена измеренная температура воды на выходе котла, а при отключённом — на входе в него.
Нажатиями на кнопку SB1 "Режим" входят в сервисный режим и выбирают параметр, который предполагается изменить. Кнопкой SB3 "-" уменьшают SB4 "+" увеличивают значение выбранного параметра. Нажатием на кнопку SB2 "Память" записывают значения изменённых параметров в EEPROM микроконтроллера. Для восстановления параметров, заданных по умолчанию, т. е. возвращения к их значениям, действовавшим при первом включении системы, необходимо удерживать кнопку SB2 "Память" нажатой более 5 с. Когда раздастся непрерывный звуковой сигнал, кнопку можно отпустить.
В сервисном режиме на индикатор HG2 выводится буква П с номером регулируемого параметра, а на индикатор HG1 — его значение. Все регулируемые параметры, пределы их изменения и значения по умолчанию указаны в таблице.
 
 В неё включены также параметры, задаваемые в рабочем режиме, а потому не имеющие условных обозначений на индикаторе. Это значения поддерживаемой системой отопления температуры воды в котле или воздуха в помещении. Все параметры могут принимать только целые значения. Следует помнить, что программа микроконтроллера не проверяет их корректность. По этой причине, изменяя параметры, следует руководствоваться здравым смыслом и соблюдать осторожность.
Предусмотрены три способа выхода из сервисного режима. Во-первых, это происходит после нажатия на кнопку "Память" и записи информации в EEPROM. Во-вторых, автоматически через минуту после последнего нажатия на любую кнопку. В-третьих, в результате перебора всех параметров до выхода в рабочий режим. Все нажатия на кнопки сопровождаются подтверждающими звуковыми сигналами. Изменённые значения параметров, не записанные в EEPROM, действуют только до выключения устройства.
При первом включении микроконтроллерного модуля с только что загруженной программой из неё в EEPROM микроконтроллера переписываются значения параметров, заданные по умолчанию. Но для этого EEPROM должна быть чистой (содержать OFFH во всех ячейках), иначе информация переписана не будет, все параметры придётся устанавливать вручную. 
После инициализации датчиков температуры и системы индикации программа проверяет состояние термовыключателя SF1 и, если температура воды ниже допустимой, подаёт короткий звуковой сигнал готовности и включает контактор. Определив, какие датчики подключены, программа управляет нагревателями, поддерживая заданную температуру воды в котле или воздуха в помещении. Показания отсутствующего или неисправного датчика заменяются на индикаторе тремя тире.
При температуре ниже заданной включаются насос, вентилятор охлаждения симисторов и поочерёдно через заданные промежутки времени — нагревательные элементы. По достижении заданной температуры нагревательные элементы поочерёдно выключаются. По умолчанию насос продолжает работать, не выключаясь, но параметром П_2 можно задать его выключение через определённый параметром П_3 промежуток времени или при понижении температуры воды до заданного параметром П_4 значения. Вентилятор обдува симисторов выключается спустя установленное параметром П_10 время после выключения последнего нагревателя.
Когда температура уменьшится на заданное параметром П_1 число градусов, вновь будут включены нагреватели и цикл регулирования температуры повторится. Чем больше значение этого параметра, тем реже включаются, но дольше работают нагреватели.
От редакции. Файлы печатных плат в формате Sprint Layout 5.0 и программа микроконтроллера имеются по адресу ftp://ftp.radio. ru/pub/2014/03/epo_evan.zip
на нашем FTP-сервере
ЛИТЕРАТУРА
1.  Киба В. Универсальный микроконтроллерный   модуль  с  графическим  ЖКИ.   — Радио, 2010, № 3, с. 28—30.
2.  6-pin DIP zero-cross phototriac driver optocoupler. — <http://mkpochtoi.narod.ru/MOC3061_MOC3062_MOC3063_zerocross_ds.pdf>.