Многофункциональный универсальный контроллер автоматики теплоснабжения

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к области микроэлектроники и может найти свое применение в автоматизированных тепловых пунктах систем централизованного или индивидуального теплоснабжения, вентиляции зданий и сооружений, насосных станциях, системах автоматизированного управления технологическим оборудованием в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве.
Уровень техники
В уровне техники достаточно длительное время уделяется большое внимание автоматизации различных производственных процессов. Следящие системы автоматического регулирования широко известны и часто используются в установках кондиционирования воздуха и системах теплоснабжения.
Под объектом регулирования понимается такой объект (агрегат, аппарат, установка, машина, помещение), в котором автоматический регулятор поддерживает заданное значение регулируемой величины или изменяет ее по заданному закону (Б.Н. Юрманов, «Автоматизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха», Ленинград, Стройиздат, 1976 – [1], с. 11).
Повышение точности и оперативности регулирования соответствующих величин оказывает существенное влияние на производительность систем, комфортность потребления и надежность.
С развитием элементной базы состоялся повсеместный переход на микропроцессорные автоматические регуляторы-контроллеры, совмещающие в себе функции контроля и управления.
В уровне техники различают жестко программируемые и свободно программируемые контроллеры (Е.С. Бондарь и др., "Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха: Учебное пособие", ТОВ "Видавничий будинок "Аванпост-Прим", 2005 – [2], с. 409, 449).
Как правило, жестко программируемые контроллеры предназначены для выполнения заранее заданных ограниченных функций (например, управление вентилятором и жалюзи). Несмотря на наличие нескольких режимов работы, включая режим программирования ([2], с. 415-416), такие контроллеры не обладают универсальностью, поскольку в режиме программирования пользователю доступна возможность изменения лишь заводских уставок, коэффициентов или параметров, выбранных при их просмотре, однако это не оказывает влияние на заранее заданную область применения жестко программируемого контроллера.
В отличие от указанных выше, свободно программируемые контроллеры можно отнести к универсальным, поскольку посредством ввода в контроллер соответствующей программы, можно осуществлять управление приборами, начиная от светофоров и заканчивая сложными технологическими системами ([2], с. 461).
В рамках данной заявки в качестве аналогов полезной модели рассматриваются универсальные контроллеры в том смысле, как это следует из уровня техники и показано выше.
В частности, аналогом полезной модели является универсальный контроллер TAC XENTA, t.a.c., Швеция ([2], с. 449).
Известное решение содержит корпус из двух разъемных частей ([2], рис. 9.1.2), в одной из которых расположена электронная, а в другой – контактная часть. Устройство содержит группы аналоговых и цифровых входов для подключения датчиков и группы аналоговых и цифровых выходов для управления внешними устройствами. К недостаткам известного решения можно отнести отсутствие в конструкции органов управления и индикации, вследствие чего возникает необходимость использования внешней панели оператора со средствами управления и индикации ([2], рис. 9.1.3).
Указанный недостаток устраняется в контроллере, известном из патентного источника (RU 158214 U1, 27.12.2015 – [3]), в котором корпус, состоящий из двух разъемных частей, имеет панель индикации ([3], фиг. 3). Несмотря на то, что известный контроллер предназначен для защиты, управления и удаленного сбора данных и обеспечивает автоматическое и/или ручное, местное и/или дистанционное управление различными нагрузками: линиями освещения (в системах управления освещением), средствами обогрева (в системах управления обогревом), электрическими приборами, установками (электрическими) и оборудованием, например, насосами, электродвигателями, вентиляторами, задвижками, его нельзя отнести к универсальным контроллерам, поскольку он не имеет возможности свободного программирования, при этом в источнике [3] подчеркивается, что недостатком известных устройств является то, что их логика работы основана на применении микропроцессоров ([3], с. 4). В источнике ([3]) также отмечено, что микропроцессоры подвержены внешним факторам, например, электрическим наводкам, что может привести к выходу из строя устройства или системы, в связи с чем предлагается перенастраивать устройство не посредством программирования, а пересборкой схемы ([3], с. 5).
С очевидностью, указанное решение имеет существенный недостаток в виде длительности его перенастройки, особенно, в случае массового использования подобных контроллеров.
К решению, являющемуся многофункциональным универсальным программируемым контроллером теплоснабжения, устраняющим недостатки обоих указанных выше средств, можно отнести контроллер ТРМ132М-01 (доступно в Интернет: https://owen.ru/uploads/21/re_trm132m-01_1855.pdf – [4]).
Известный из источника [4] контроллер содержит корпус, выполненный с возможностью крепления на DIN-рейку и состоящий из двух разъемных частей: основания, на котором размещена основная электронная плата контроллера и съемной крышки, на которой расположена плата индикации. На крышке также расположены органы управления контроллером. Устройство содержит соединенные с микропроцессором группу аналоговых входов, группу дискретных входов, группу дискретных выходов и группу аналоговых выходов ([4], с. 16), а также ряд информационных интерфейсов (в частности, RS-232, RS-485).  При производстве прибора в него записываются заводские значения параметров. Пользователь может изменять значения параметров в соответствии с условиями и целями эксплуатации прибора. Значения программируемых параметров вносятся в энергонезависимую память прибора и сохраняются при отключении питания.
Однако всем указанным в [2]-[4] решениям присущ общий недостаток, заключающийся в отсутствии средств защиты выходных сигналов контроллера от токов короткого замыкания, в том числе от замыканий в цепях управления нагрузкой.
При этом в ходе выполнения монтажных и пусконаладочных работ могут быть совершены ошибочные действия, приводящие к неправильной коммутации силовых цепей систем автоматики, что может привести к выходу контроллера из строя.
Раскрытие полезной модели
Предлагаемая полезная модель направлена на преодоление указанного недостатка уровня техники и позволяет при осуществлении обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении отказоустойчивости и надежности при ошибках подключения выходных сигналов контроллера при монтаже, пусконаладочных работах и эксплуатации, вызванных токами короткого замыкания.
Согласно предпочтительному варианту осуществления полезной модели предлагается многофункциональный универсальный программируемый контроллер теплоснабжения, содержащий корпус, выполненный с возможностью крепления на DIN-рейку и состоящий из двух неразъемных частей: основания, на котором размещена основная электронная плата контроллера и крышки, на которой расположена плата индикации; основная электронная плата содержит соединенные с микропроцессором группу аналоговых входов, группу аналоговых выходов, группу дискретных входов, группу дискретных выходов, информационные интерфейсы, причем каждый из дискретных выходов соединен с микропроцессором так, что соответствующий вывод микропроцессора через ограничивающий резистор связан со вторым выводом твердотельного реле на базе светодиодной оптопары, первый вывод которого является выводом питания, третий вывод через общую точку соединен с истоками, а четвертый вывод через общую точку соединен с затворами первого и второго силовых полевых транзисторов, сток первого транзистора соединен с первым выводом защитного варистора и первым контактом подключения управляемой нагрузки, сток второго транзистора соединен со вторым выводом защитного варистора и, через самовосстанавливающийся предохранитель, со вторым контактом подключения управляемой нагрузки.
В дополнительных вариантах осуществления в контроллере предусматривается 11 дискретных выходов от электронных твердотельных реле с максимальным током 0,13 А при напряжении 220 В для подключения насосов, клапанов, нагревателей с дискретным управлением через магнитные пускатели; 5 входов для подключения аналоговых устройств; 10 дискретных входов для подключения датчиков; 2 аналоговых входа для подключения датчиков с аналоговым выходом 0…10 В или 4...20 мА; 2 аналоговых выхода для управления аналоговыми устройствами 0...10 В; информационные интерфейсы Ethernet, RS-485, USB.
В следующем разделе описания представлены подробные сведения, касающиеся осуществления полезной модели с достижением указанного технического результата.
Осуществление полезной модели
Для более полного раскрытия сущности полезная модель иллюстрируется поясняющими чертежами, согласно которым представлены:
на фиг. 1a – внешний вид корпуса контроллера с габаритными и установочными размерами;
на фиг. 1b – основной экран (режим ПЛК);
на фиг. 1c – пример пункта меню;
на фиг. 2 – структурная схема контроллера;
на фиг. 3 – схема подключения внешних соединений;
на фиг. 4 – схема защиты;
на фиг. 5 – схема подключения, режим «Отопление»;
на фиг. 6 – схема подключения, режим «Насосная станция»;
на фиг. 7 – схема подключения, режим ПЛК.
Контроллер в пластмассовом корпусе (фиг. 1) предназначен для установки на типовую DIN-рейку шириной 35 мм или на монтажную панель при помощи самонарезающихся винтов М4.
Корпус контроллера состоит из основания, на котором размещена основная электронная плата контроллера и крепящейся на защелках крышки, на которой расположена плата индикации.
На нижней и верхней сторонах корпуса расположены разъемы с клеммными соединителями «под винт». К разъему Х5 тип 8Р8С (розетка) подключается типовой соединительный кабель сетевого интерфейса Ethernet. На передней панели корпуса расположен разъем Х10 типа mini-USB для подключения кабеля USB для возможности конфигурирования контроллера при помощи персонального компьютера с установленным программным обеспечением - вспомогательное приложение для настройки параметров контроллера по USB.
На электронной плате внутри корпуса в специальном держателе расположен съемный литиевый элемент питания CR2032 напряжением +3 В для питания встроенных часов. На электронной плате также расположен светодиодный индикатор «Работа», который светится при подаче напряжения питания на контроллер.
Контроллер функционально состоит из следующих частей, расположенных на двух электронных платах (фиг. 2):
- микроконтроллера на базе микропроцессора;
- цветного графического индикатора;
- преобразователя последовательного интерфейса RS-485;
- преобразователя последовательного интерфейса Ethernet уровня 100BASE-TХ;
- схем согласования уровней входных сигналов;
- оптоэлектронных реле;
- звукоизлучателя;
- узла питания.
Электропитание контроллера может осуществляться как от сети питания 220 В 50 Гц, так и от источника постоянного напряжения +(12…24) В. Узел питания преобразует напряжение сети питания 220В, 50Гц в постоянное напряжение +12 В и стабилизированное напряжение +5В для питания основных узлов контроллера. Узел питания состоит из сетевого фильтра, силового трансформатора, выпрямителя, емкостного фильтра и импульсного стабилизатора напряжения. В случае электропитания от сети 220В разъем Х4 можно использовать как выход постоянного нестабилизированного напряжения +17В при токе до 0,1А для питания датчиков давления.
Возможно одновременное подключение источника питания как «горячего резерва» через разделительный диод. Для этого следует подать на разъем Х4 напряжение питания +24 В от отдельного источника постоянного напряжения, через диод 1N5400, соблюдая полярность.
Индикатором подачи питания служит свечение дисплея контроллера.
Основным элементом контроллера является микроконтроллер на основе ядра ARM Cortex-M7 STM32H743VIT6 c тактовой частотой 480 МГц, представляющим собой однокристальный компьютер с малым энергопотреблением. Микроконтроллер с загружаемым программным обеспечением реализует все заданные функции прибора.
Микроконтроллер содержит встроенное статическое ОЗУ объёмом 1Мб и Flash ПЗУ объёмом до 2Мб. Загрузка программного обеспечения производится по интерфейсу Ethernet. Микроконтроллер поддерживает встроенные часы реального времени и календарь. Электропитание часов осуществляется от встроенной литиевой батареи напряжением 3 В.
Ниже в таблице 1 представлены подробные сведения о назначении разъемов (фиг. 3) контроллера (Т1-Т5 могут быть назначены как входы дискретных сигналов «сухой контакт»).
Табл. 1.
Наименование разъема
Разъем и номерконтакта
Обозначение цепи
Описание
Выход электронных реле (1 - 6)
Х1 – 1
DO6.1
Выход реле 6.1
Х1 – 2
DO6.2
Выход реле 6.2
Х1 – 3
DO5.1
Выход реле 5.1
Х1 – 4
DO5.2
Выход реле 5.2
Х1 – 5
DO4.1
Выход реле 4.1
Х1 – 6
DO4.2
Выход реле 4.2
Х1 – 7
DO3.1
Выход реле 3.1
Х1 – 8
DO3.2
Выход реле 3.2
Х1 – 9
DO2.1
Выход реле 2.1
Х1 – 10
DO2.2
Выход реле 2.2
Х1 – 11
DO1.1
Выход реле 1.1
Х1 – 12
DO1.2
Выход реле 1.2
Выход электронных реле (7 - 11)
Х2 – 1
DO11.1
Выход реле 11.1
Х2 – 2
DO11.2
Выход реле 11.2
Х2 – 3
DO10.1
Выход реле 10.1
Х2 – 4
DO10.2
Выход реле 10.2
Х2 – 5
DO9.1
Выход реле 9.1
Х2 – 6
DO9.2
Выход реле 9.2
Х2 – 7
DO8.1
Выход реле 8.1
Х2 – 8
DO8.2
Выход реле 8.2
Х2 – 9
DO7.1
Выход реле 7.1
Х2 – 10
DO7.2
Выход реле 7.2
AC 220 В,50 Гц
Х3 – 1
АС
Вход сети питания 220 В, 50 Гц
Х3 – 2
АС
Вход сети питания 220 В, 50 Гц
DC (12-24) В
Х4 – 1
+DC
Вход резервного питания +24 В (Если питание от сети 220В, то выход питания датчиков +17В, 0,1А)
Х4 – 2
GND
Общий резервного питания
10/100BaseT Ethernet
Х5 – 1
TD+
Дифференциальный выход передачи данных (плюс)
Х5 – 2
TD-
Дифференциальный выход передачи данных (минус)
Х5 – 3
RD+
Дифференциальный вход передачи данных (плюс)
Х5 – 6
RD-
Дифференциальный вход передачи данных (минус)
RS-485
Х6 – 1
А
Дифференциальный вход/выход А
Х6 – 2
В
Дифференциальный вход/выход В
Термометр или дискретные входы
Х7 – 1
Т1
Вход подключения термометра 1
Х7 – 2
GND
Общий
Х7 – 3
Т2
Вход подключения термометра 2
Х7 – 4
GND
Общий
Х7 – 5
Т3
Вход подключения термометра 3
Х7 – 6
GND
Общий
Х7 – 7
Т4
Вход подключения термометра 4
Х7 – 8
GND
Общий
Х7 – 9
Т5
Вход подключения термометра 5
Х7 – 10
GND
Общий
Дискретные входы
Х8 – 1
DI1
Вход «сухой контакт» 1
Х8 – 2
DI2
Вход «сухой контакт» 2
Х8 – 3
DI3
Вход «сухой контакт» 3
Х8 – 4
DI4
Вход «сухой контакт» 4
Х8 – 5
DI5
Вход «сухой контакт» 5
Х8 – 6
DI6
Вход «сухой контакт» 6
Х8 – 7
DI7
Вход «сухой контакт» 7
Х8 – 8
DI8
Вход «сухой контакт» 8
Х8 – 9
DI9
Вход «сухой контакт» 9
Х8 – 10
DI10
Вход «сухой контакт» 10
Аналоговые входы
Х8 – 11
AI1
Аналоговый вход 1 (0-10) В или (0-20) мА
Х8 – 12
AI2
Аналоговый вход 2 (0-10) В или (0-20) мА
Х8 – 13
GND (1)
Общий
Х8 – 14
GND (2)
Общий
Аналоговый выход
Х9 – 1
+AО1
Аналоговый выход 1 (0-10) В
Х9 – 2
GND
Общий
Х9 – 3
+AО2
Аналоговый выход 2 (0-10) В
Х9 – 4
GND
Общий
USB 2 (технологический, на передней панели)
Х10 – 1
+5В
Питание +5 В (технологическое)
Х10 – 2
-Data
Дифференциальный вход/выход передачи данных (минус)
Х10 – 3
+Data
Дифференциальный вход/выход передачи данных (плюс)
Х10 – 4
-
Не подключен
Х10 – 5
GND
Сигнальная земля
В иллюстративном варианте, для измерения температуры к входам T1-Т5 подключаются термометры сопротивления, например, платиновые Pt500, Pt1000, 500П, 1000П, никелевые Ni 1000, с отрицательным температурным коэффициентом NTC 10k, NTC 20k, а также цифровые преобразователи температуры DS18S20 или DS18B20. Термометры сопротивления применяются для измерения температуры окружающей среды в месте установки датчика. Принцип действия таких датчиков основан на существовании у ряда металлов воспроизводимой и стабильной зависимости активного сопротивления от температуры. Сигналы с выходов термометров через схему согласования уровней сигналов и защиты от электромагнитных помех поступают на входы АЦП микроконтроллера для получения цифровых отчетов напряжения, пропорционального температуре измеряемой среды. Входы Т1-Т5 могут быть использованы как дискретные входы.
К аналоговым входам AI0-AI1 подключаются датчики давления, имеющие выход напряжения (0-10) В или токовая «петля 4-20 мА». Для подключения датчиков с типом выхода токовая «петля 4-20 мА» необходимо подключение внешнего шунтирующего резистора 220 Ом ±0,1%. Эти сигналы поступают на два входа АЦП через схему согласования уровней сигналов и защиты от электромагнитных помех.
Микроконтроллер формирует сигналы для встроенного звукового излучателя для сигнализации аварийных режимов и отказов.
Микроконтроллер управляет состоянием электронных ключей DO (1-11), которые используются для дискретного управления насосами, вентиляторами (вкл/откл), задвижками и проч. исполнительными механизмами.
Микроконтроллер формирует аналоговые сигналы АО (1-2) в диапазоне напряжения (0-10) В на выходе двухканального 12-ти разрядного ЦАП, при помощи усилителей. Эти сигналы могут использоваться, например, для аналогового управления положением задвижки системы отопления или частотой вращения насоса.
Интерфейс RS-485 предназначен для диспетчеризации контроллера с использованием протокола Modbus RTU. Приемопередатчик интерфейса RS-485 обеспечивает согласование уровней напряжений сигналов последовательного порта микроконтроллера и интерфейса RS-485.
Интерфейс Ethernet служит для диспетчеризации контроллера по локальной сети с использованием протокола Modbus TCP и организации информационного взаимодействия между контроллерами в одной локальной подсети.
Технологический интерфейс USB предназначен для настройки параметров контроллера.
Трансивер Ethernet реализует физический уровень 100BaseTX/10BaseT интерфейса Ethernet и предназначен для преобразования сигналов интерфейса RMII (Reduced Media Independent Interface) микроконтроллера в сигналы интерфейса MII (Medium Independent Interface) порта Ethernet. Трансивер имеет автоматический выбор скорости 100 Мбит/с или 10 Мбит/с в дуплексном или полудуплексном режиме. К трансиверу подключен согласующий трансформатор порта Ethernet, имеющий два светодиодных индикатора Link (соединение) и Speed (скорость).
Выходы релейного управления (открыть, закрыть) разъема Х1 контроллера слаботочные, максимальный ток 0,13 А. Поэтому для коммутации силовых цепей насосов, вентиляторов, клапанов к выходам контроллера должны быть подключены промежуточные магнитные контакторы (пускатели). Слаботочные входы управления могут быть подключены непосредственно к контроллеру.
2
Для этого к ответным частям клеммных соединителей разъемов Х1 и Х2 «под винт» подсоединяют проводники цепи управления катушками магнитных контакторов. Контакторы, как правило, располагают в том же шкафу, что и контроллер. Рекомендуемый тип провода ПуГВ сечением 0,5 мм для цепи катушки контактора. Тип и номинальный ток контактора выбирают исходя из мощности электромотора клапана, вентилятора, насоса, а сечение кабеля цепи питания нагрузки так же выбирают исходя из мощности электромотора.
Вывод информации микроконтроллер осуществляет на цветной графический TFT индикатор размером 2,2 дюйма 240×320 точек. На индикаторе отображаются режимы работы прибора в виде графических мнемосхем, измеренные значения параметров и настроечные параметры.
Выбор режима работы контроллера, ввод настроечных параметров производится при помощи расположенных на крышке кнопок «↓», «↑», «→», «←», служащих для просмотра меню и ввода значений параметров.
Предложенный контроллер предназначен для функционирования в нескольких основных режимах - «Отопление, ГВС, вентиляция», «Насосная станция», «Программируемый логический контроллер» (ПЛК). Основные режимы могут включать один или несколько подрежимов, как показано далее.
В режиме «Отопление, ГВС, вентиляция» контроллер в режиме электронного регулятора температуры имеет два независимых канала регулирования, которые могут быть настроены в любые сочетания «Отопление», «ГВС», «Вентиляция» и предназначен для выполнения следующих функций:
– в режиме «Отопление» работа с 7 типовыми схемами регулирования по двум каналам;
– в режиме «ГВС» работа с двумя типовыми схемами регулирования по двум каналам;
– в режиме «Отопление» автоматическое регулирование температуры воды, подаваемой в контур отопления в соответствии с отопительным графиком по температуре наружного воздуха для независимой и зависимой системы отопления при помощи регулирующего клапана;
– в режиме «Отопление» ограничение температуры в обратном трубопроводе теплосети в соответствии с заданным графиком;
– в режиме «Отопление» ограничение температуры в подающем трубопроводе теплосети в соответствии с заданным графиком;
– в режиме «Отопление» корректировка температуры подачи в зависимости от комнатной температуры в помещении, где установлен дополнительный датчик температуры;
– в режиме «ГВС» автоматическое регулирование температуры воды, подаваемой в контур ГВС, при помощи регулирующего клапана, возможность приоритета ГВС над отоплением;
– в режиме «Вентиляция» автоматическое поддержание температуры приточного воздуха системы вентиляции в соответствии с заданной уставкой и функцией погодной компенсации, за счет регулирования температуры воды калорифера;
– в режиме «Вентиляция» ограничение температуры в обратном трубопроводе теплосети в соответствии с заданным графиком;
– управление одним или двумя регулирующими клапанами систем отопления или вентиляции (дискретными и непрерывными сигналами);
– управление одним или двумя циркуляционными насосами, одним или двумя насосами подпитки и вентилятором;
– включение/выключение корректировки температуры воды (воздуха) в заданное время суток (день/ночь), в рабочий и праздничный день;
–измерение температуры наружного и комнатного воздуха, температуры воды в прямом и обратном трубопроводах теплосети, температуры в подающем трубопроводе;
– встроенные часы реального времени и календарь с автономным источником питания;
– регистрация аварийных сообщений в энергонезависимом журнале событий;
– контроль исправности датчиков температуры и давления;
– контроль работы циркуляционных насосов, вентиляторов по датчику разности давления вход-выход или по реле сухого хода, входы разрешения работы насосов;
– контроль контура подпитки по датчику давления воды или реле давления воды, длительности включения подпитки;
– индикацию режимов работы, служебных и аварийных сообщений, настроечных параметров на встроенном графическом индикаторе;
– просмотр текущего состояния всех входов и выходов контроллера, состояния встроенного элемента питания;
– пуск резервного насоса при неисправности основного;
– дистанционный режим управления насосами и клапаном;
– автоматическую смену насосов с заданным интервалом времени;
– защиту от замерзания водяного калорифера системы вентиляции;
– защиту от одновременного пуска нескольких насосов в системе;
– возможность ручного и дистанционного управления работой системы;
– возможность ручного тестирования работы исполнительных устройств;
–аварийная сигнализация выхода за рабочие пределы температуры теплоносителя, перепада давления на циркуляционных насосах или вентиляторах;
–передачу текущих и настроечных данных по интерфейсу RS-485 по протоколу Modbus RTU;
– передачу данных по каналам связи TCP/IP локальной сети Ethernet во внешние информационные системы;
– получение по каналам связи TCP/IP локальной сети Ethernet заданной информации с целью управления режимом работы и изменению настроечных параметров;
– настройку и хранение настроечных параметров в энергонезависимой памяти;
– защиту от несанкционированного доступа к настроечным параметрам.
Контроллер в режиме «Отопление, ГВС, вентиляция» содержит два независимых канала регулирования температуры. Каждый канал может быть настроен в режим работы «Отопление», «ГВС» или «Вентиляция», но с ограничениями одновременно используемых режимов.
В качестве иллюстрации, на фиг. 5 представлена схема подключения датчиков и исполнительных механизмов, интерфейсов к контроллеру в режиме «Отопление» для канала №1.
Контроллер при работе в режиме «Насосная станция» выполняет следующие функции:
– автоматическое регулирование давления воды на выходе насосов, используя датчик давления в подающем трубопроводе или по перепаду давления в контуре потребителя, за счет изменения частоты вращения насосов, оснащенных преобразователями частоты;
– автоматическое регулирование температуры воды на выходе насосов, используя датчик температуры в подающем трубопроводе, или в обратном трубопроводе, или по перепаду температуры в контуре потребителя, за счет изменения частоты вращения насосов, оснащенных преобразователями частоты;
– работу насосов в режиме циркуляции без регулирования;
– управление четырьмя циркуляционными насосами, оснащенными одним или несколькими преобразователями частоты;
– противопожарный режим работы по внешнему сигналу;
– автоматическую смену насосов с заданным интервалом времени, подсчет времени наработки;
– встроенные часы реального времени и календарь с автономным источником питания;
– контроль давления на входе насосов по датчику давления воды или реле сухого хода;
– контроль работы циркуляционных насосов по датчику разности давления или внешнему сигналу;
– контроль исправности датчиков температуры и давления;
– дистанционный режим управления насосами;
– индикацию режимов работы, служебных и аварийных сообщений, настроечных параметров на встроенном графическом индикаторе;
– просмотр текущего состояния всех входов и выходов контроллера, состояния встроенного элемента питания;
– возможность ручного тестирования работы исполнительных устройств;
– аварийная сигнализация выхода за рабочие пределы давления воды на входе и выходе насосов, температуры, перепада давления на циркуляционных насосах, отказе преобразователя частоты;
– регистрация аварийных сообщений в энергонезависимом журнале событий;
– передачу данных по интерфейсу RS-485 по протоколу Modbus RTU;
– передачу данных по каналам связи TCP/IP локальной сети Ethernet во внешние информационные системы;
– получение по каналам связи TCP/IP локальной сети Ethernet заданной информации с целью управления режимом работы и изменению настроечных параметров;
– настройку и хранение настроечных параметров в энергонезависимой памяти;
– защиту от несанкционированного доступа к настроечным параметрам.
В качестве примера на фиг. 6 показана схема подключения контроллера в режиме «Насосная станция» - «Давление на подаче» для двух насосов и одного преобразователя частоты.
Насосы 1 и 2 запитываются от одного преобразователя частоты ПЧ.  Реле К1, К2 служат для исключения одновременного подключения к ПЧ двух насосов. Контакторы КМ1, КМ3 подключают насосы к сети питания напрямую. КМ2, КМ4 подключают насосы к выходу ПЧ. Переключатели S3 и S4 служат для перевода насоса Н1 и Н2 в режим автоматического управления, отключения и принудительного включения. КМ9 подает напряжения питания на ПЧ.
Контроллер при работе в режиме «Программируемый логический контроллер» ПЛК выполняет следующие функции:
– программирование логики работы пользователем на языке FBD (язык функциональных диаграмм) в соответствии со стандартом IEC 61131-3;
– создание произвольной графической мнемосхемы на индикаторе силами пользователя;
– выполнение управляющей программы пользователя, реализующей алгоритм управления исполнительными механизмами: реле, аналоговый выход (0-10) В;
– прием и обработку сигналов 5 преобразователей температуры (датчиков);
– прием и обработку 10 дискретных сигналов;
– прием и обработку 2 аналоговых сигналов (0-10) В;
– управление выходными 11 реле и выходными переменными из программы пользователя (интерфейс RS-485 – регистры Modbus RTU);
– управление встроенным звуковым излучателем из программы пользователя;
– формирование сигналов управления на 2 выходах (0-10) В цифро-аналогового преобразователя из программы пользователя;
– сохранение промежуточных результатов вычислений в энергонезависимой памяти;
– часы реального времени и календарь с автономным источником питания;
– отображение на дисплее набора выходных параметров в текстовом виде (точки контроля), заданных пользователем;
– ввод значений параметров при помощи кнопок управления (точки регулирования);
– каскадирование нескольких контроллеров по локальной сети Ethernet, обмен данными между контроллерами (входные и выходные сетевые переменные);
– загрузку программы пользователя через интерфейс USB без подачи основного питания;
– передачу данных по интерфейсу RS-485 по протоколу Modbus RTU;
– передачу данных по каналам связи TCP/IP локальной сети Ethernet во внешние информационные системы;
– получение по каналам связи TCP/IP локальной сети Ethernet заданной информации с целью управления режимом работы и изменению настроечных параметров;
– настройку и хранение настроечных параметров в энергонезависимой памяти;
– защиту от несанкционированного доступа к настроечным параметрам.
В качестве примера на фиг. 7 показана схема подключения датчиков и исполнительных механизмов, интерфейсов к контроллеру в режиме «Программируемый логический контроллер».
В этом режиме контроллер работает в соответствии с управляющей программой, предварительно загруженной пользователем по интерфейсу USB. Программа составляется пользователем на языке FBD (язык функциональных диаграмм) в соответствии со стандартом IEC 61131-3. Программирование осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения «Редактор функциональных схем». Таким образом, наличие в контроллере интерфейса USB является существенным для реализации универсальности контроллера.
Если контроллер предварительно переведен в режим «Программируемый логический контроллер», то после первого включения на табло контроллера выводится основной экран в соответствии с созданной пользователем программой. Например, основной экран может быть такого вида, как представлено на фиг. 1b.
Экран обеспечивает просмотр так называемых точек контроля, т.е. набора выходных переменных, назначаемых оператором при составлении функциональной схемы во время программирования логики работы контроллера.
Например, процент заполнения резервуаров №1 10%, №2 11% или состояние насоса (включен/выключен). Точки контроля могут отображаться в виде как чисел, так и графических элементов.
Обычно точки контроля представляют собой какие-либо сигналы, например, выходы функциональных элементов, характеризующие работу схемы. Точки контроля служат для просмотра оператором значения сигналов в различных цепях схемы для визуального представления хода процесса работы схемы на экране контроллера.
Точки контроля могут быть просмотрены в отдельном экране в виде списка (пункт «Точки контроля» в меню). Список может занимать несколько экранов, просмотр которых осуществляется кнопками «↑», «↓». Каждая стока списка состоит из названия точки контроля, которое было задано при составлении схемы, и численного значения.
В качестве иллюстрации, в таблице 2 представлено описание основных пунктов меню.
Табл. 2.
Пункт меню
Описание
1. Точки контроля
Просмотр численных значений сигналов в точках контроля функциональной схемы
2. Точки регулирования
Ввод вручную численных значений переменных, задающих работу функциональной схемы
3. Дата и время
Ввод, корректировка встроенных часов и календаря
4. Настройка Ethernet
Настройка сетевых параметров прибора
5. Настройка Modbus
Настройка параметров интерфейса RS-485
6. Настройка датчиков
Настройка параметров датчиков температуры
7. Настройка УМК
Настройка режима работы контроллера
Пункт меню «Точки контроля» позволяет просмотреть значения переменных вида «Точки контроля». Набор переменных задает пользователь на этапе составления своей программы на языке FBD. Пример меню показан на фиг. 1c.
Пункт меню «Точки регулирования» позволяет вручную задать значения точек регулирования. Точки регулирования служат для ввода вручную значений переменных в соответствии с программой, составленной пользователем. Назначение точки регулирования определяется конкретной функциональной схемой, например, «Порог включения насоса 1».
Пункты 3-7 предназначены для изменения параметров, как указано в табл. 2.
Таким образом, приведенное выше описание режимов контроллера, показывает реализацию его многофункциональности.
Несколько контроллеров в режиме «ПЛК» могут быть объединены по интерфейсу Ethernet для совместной работы. В этом случае используются сетевые переменные – все датчики становятся доступными для каждого контроллера. Каждый из контроллеров подключается к коммутатору локальной сети. Каскадирование используют для увеличения числа входов контроля или выходов управления, при этом данные передаются по Ethernet между всеми контроллерами.
Кроме того, контроллеры могут быть подключены к линии интерфейса RS-485 для передачи данных в контроллер верхнего уровня системы диспетчеризации. К одной линии типа «витая пара» длиной до 1000 м допускается подключение контроллеров в количестве до 31 шт. На концах линии RS-485 должны быть установлены согласующие нагрузки – резисторы 120 Ом ±10% 0,5 Вт.
Для обеспечения защиты контроллера его дискретные выходы выполнены (фиг. 4) с применением электронных твердотельных реле без механических контактов с цепями защиты, что позволяет защитить выходные сигналы контроллера от токов короткого замыкания, в том числе от замыканий в цепях управления нагрузкой.
В качестве иллюстрации на фиг. 8 показано выполнение схемы с одной (Вид А) и с другой (вид Б) стороны печатной платы. Элементы выполнены навесным и поверхностным монтажом на 4-слойной печатной плате, выполненной из материала стеклотекстолит FR-4.
В предпочтительном варианте осуществления в качестве твердотельного реле DA1 используется светодиодная оптопара Toshiba TLP3906. Силовые цепи коммутации выполнены на двух MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) полевых транзисторах VT 1, 2 IPD65R400CE. Защита от перенапряжения выполнена на (MOVs) варисторе Littelfuse V250LA10P. Защита по току выполнена на самовосстанавливающемся предохранителе MF-SM013/250V-2.
Предложенная схема работает следующим образом.
Дискретный управляющий выходной сигнал 3.3B от выхода микропроцессора DD1 c вывода DO1 через ограничивающий резистор R1 номиналом 620 Ом поступает на вход 2 твердотельного реле DA1 обеспечивающего гальваническую развязку и формирование управляющего сигнала на пару силовых полевых транзисторов VT 1, 2. Транзисторы обеспечивают бесконтактную электронную коммутацию для подключения управляемой нагрузки через разъемы 1, 2.
Для обеспечения защиты коммутирующей цепи пары полевых транзисторов от перенапряжения служит варистор RU1. В случае превышения напряжения варистор увеличивает ток в цепи самовосстанавливающегося предохранителя FU1, который при повышении температуры вследствие повышенного протекающего тока электронным бесконтактным способом размыкает управляющую цепь. Кроме, того при превышении тока в цепи управляемой нагрузки самовосстанавливающийся предохранитель FU1 также отключает нагрузку.
Предложенная схема обеспечивает повышение отказоустойчивости и надежности при ошибках подключения выходных сигналов контроллера при монтаже, пусконаладочных работах и эксплуатации, вызванных токами короткого замыкания.
Таким образом, предложенный многофункциональный универсальный контроллер может быть использован для создания систем автоматизированного управления технологическим оборудованием, в том числе для автоматического поддержания температуры воды в контуре отопления в соответствии с отопительным графиком, поддержания температуры воды в контуре горячего водоснабжения или отопления посредством регулирующего клапана, температуры воздуха в системе приточной вентиляции с водяным калорифером, управления циркуляционными насосами, контроля температуры и давления воды.
Контроллер используется как компонент при сборке управляющих электрических шкафов. В ходе выполнения монтажных и пусконаладочных работ могут быть совершены ошибочные действия, приводящие к неправильной коммутации силовых цепей систем автоматики, что на другом аналогичном оборудовании часто приводит к выходу его из строя. Схемотехническое решение дискретных выходных цепей контроллера, предлагаемое в полезной модели, увеличивает надежность и защищенность при указанных ситуациях и уменьшает риск выхода из строя оборудования автоматики и подключаемого к контроллеру силового оборудования.
Представленные в описании примеры осуществления полезной модели показывают, каким образом посредством известных средств и методов может быть осуществлена полезная модель с реализацией назначения и достижением указанного технического результата.