CC BY
33
УПРАВЛЕНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, АВТОМАТИЗАЦИЯ
УДК [681.51:681.586'33:621.383]:[658.512:667.661.23-529]
С. В. Головко, А. Н. Егоров, Н. Г. Романенко
РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ ИМПУЛЬСНОГО АЭРОЗОЛЬНОГО РАСПЫ1ЛИТЕЛЯ
Цель исследования - разработка конструкции импульсного аэрозольного распылителя и системы управления распылителем на базе микроконтроллера. Распылитель предназначен для орошения и полива, может применяться также в качестве опрыскивателя растений агро-химикатами и удобрениями. Установка снабжена камерой сгорания, что делает ее достаточно сложным технологическим объектом с использованием датчиков различного назначения (датчик давления камеры, датчик уровня воды, сигналы с которых приходят на контроллер и формируют управляющее воздействие на клапаны и двигатели насосов). Конструктивный узел управления технологическим процессом распыления спроектирован на основе микроконтроллера Arduino Leonardo. Разработан алгоритм работы установки.
Ключевые слова: импульсный аэрозольный распылитель, камера сгорания, датчики, контроллер.
Введение
Целью исследования являлась разработка конструкции установки импульсного аэрозольного распылителя, а также системы его управления на базе микроконтроллера.
Предлагаемая конструкция импульсного аэрозольного распылителя отличается тем, что давление в ней нагнетается за счет сгорания топлива. Давление газов, образующихся в установке, напрямую воздействует на воду. Такое конструктивное решение позволяет повысить КПД аэрозольного распылителя.
Алгоритмы работы подобных устройств реализуются посредством выполнения программ микроконтроллера - в этом заключается их главное отличие от релейного управления. Благодаря этому программируемый логический контроллер представляет собой универсальное, перенастраиваемое оборудование. Следует отметить, что надежность и качество рабочих схем на программируемом контроллере совершенно не зависят от их сложности.
Система управления осуществляет контроль работы клапанов (клапан подачи воды, клапан подачи топливно-воздушной смеси, выпускные клапаны для сброса давления), а также двигателей насосов (насос воды, топливный насос, воздушный компрессор). Датчики позволяют микроконтроллеру следить за необходимыми физическими параметрами, исходя из значений которых контроллер подает управляющие сигналы на двигатели и клапаны.
Описание и алгоритм работы установки
Предлагаемая установка (рис. 1) имеет камеру сгорания, в которой при сгорании топлив-но-воздушной смеси образуются газы, под давлением которых вода с большой скоростью вытесняется в ствол установки. Движение жидкости при переходе к отверстию сопла существенно ускоряется из-за сужающегося ствола [1]. При ударе воды о сепаратор форсунки вода дробится на мелкие частицы, образуя аэрозоль.
Рис. 1. Импульсно-аэрозольная установка с камерой сгорания: ДУ - датчик уровня воды; ЭД - электродвигатель
Преимущество такой установки перед обычными аэрозольными установками высокого давления заключается в том, что нет необходимости использовать специальные насосы высокого давления. Так как давление в системе возникает в результате сгорания топлива, то достаточно установить обыкновенный бытовой насос малой мощности (рис. 2).
На рис. 3 приведена функциональная схема импульсного распылителя. Стрелками указано управляющее воздействие системы управления (вход или выход). Клапаны имеют датчик положения, сигнал с которого поступает в контроллер и, следовательно, является входом системы управления. Сигнал с логического выхода контроллера осуществляет отключение электродвигателей насосов и останов работы системы. Данная конструкция обеспечивает надежность работы. Если во время включения не сработает какой-либо клапан, установка прекратит работу и на панели оператора загорится индикатор ошибки.
Распылитель имеет также механическую защиту в виде предохранительного клапана, который откроется при достижении критического давления внутри установки.
Установка расположена на платформе, которая вращается на 180°. В крайних положениях установлены концевые выключатели, ограничивающие ход платформы. При достижении крайнего положения замкнутый контакт концевого выключателя осуществляет реверс двигателя поворота платформы. Управление процессом работы установки осуществляется микроконтроллером.
Алгоритм работы установки представлен на рис. 4.
о.
ш
0
.
1-
1
о
Рис. 2. Упрощенный алгоритм работы системы: Дур - датчик уровня воды; Ддав - датчик давления
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Вход * Выход t 0 НИ - неисправность системы (не работал клапан или двигатель)
БВ1 - кнопка запуска системы упрввления
Управление углом наклона сопла Управление порогам
платформы
Рис. 3. Функциональная блок-схема
1. Выпускные клапаны открыты. 2. Входной клапан открыт. Вода набирается в установку
Рис. 4. Алгоритм работы установки
При достижении максимального уровня воды двигатель водяного насоса не отключается. Контроллер дает сигнал на закрытие входного клапана, а вода в двигателе начинает циркулировать через обратный клапан. Таков же принцип работы двигателей компрессора и топливного насоса.
Вводы-выводы контроллера
В конструкции предлагаемой установки используется микроконтроллер Arduino Leonardo. Определим, какие из сигналов являются входными, какие выходными и к какому типу они относятся - к цифровым или аналоговым (рис. 5).
Рис. 5. Схема подключения контроллера: БП - блок питания
Входными сигналами для контроллера являются:
1) старт............................................................................................................................................................................................................................................................................DI
2) уровень воды min..................................................................................................................................................................................................................................DI
3) уровень воды max................................................................................................................................................................................................................................DI
4) давление в системе............................................................................................................................................................................................................................AI
5) обратная связь, клапан подачи воды и выпускные 1 и 2 открыты..................................................................DI
6) обратная связь, клапан подачи воды и выпускные 1 и 2 закрыты....................................................................DI
7) обратная связь, клапаны подачи топлива и воздуха закрыты..................................................................................DI
8) аварийный стоп..............................................................................................................................................................................DI
Выходными сигналами для контроллера являются:
1) пуск двигателя насоса.............................................................
2) клапан подачи воды открыт...................................................
3) выпускные клапаны 1 и 2 открыты.......................................
4) компрессор и топливный насос включены...........................
5) клапаны подачи топлива и воздуха открыты.......................
6) свеча включена с задержкой на 0,1 с.....................................
7) пуск/остановка установки......................................................
8) сигнал ошибки срабатывания клапанов топливо-воздух....
9) сигнал ошибки срабатывания клапана подачи воды...........
10) сигнал ошибки срабатывания выпускных клапанов 1 и 2
11) аварийный стоп....................................................
DO DO DO DO DO DO DO DO DO DO DO
Схема электрическая принципиальная. Подключение контроллера
Подключение датчиков и реле к контроллеру будет производиться через оптопару (рис. 5).
Оптопара или оптрон - электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно -светодиод, в ранних изделиях - миниатюрная лампа накаливания) и фотоприемника (биполярные и полевые фототранзисторы, фотодиоды, фототиристоры, фоторезисторы), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал [2].
Оптроны используются для гальванической развязки цепей - передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы, например MIDI, предписывают обязательную оптронную развязку.
Для питания датчиков и реле установлен блок питания. Датчик давления подключен к аналоговому входу A2 и будет запрограммирован на два положения. Микроконтроллер будет реагировать на изменение напряжения на выходе датчика [3]. Минимальное давление = 5 мА, максимальное = 15 мА. Аналоговые входы в Arduino Leonardo можно использовать и как цифровые. Подключение датчика уровня воды будет производиться ко входам A0 и A1. Управление исполнительными механизмами будет производиться твердотельными реле, которые будут включать контакторы силовой цепи.
В контроллер заведены сигналы обратной связи с клапанов. Датчики положения клапана будут сигнализировать о положении клапана и в случае его неисправности отключат установку.
Следует отметить, что у данной системы есть один недостаток - для того чтобы считывать данные с устройства, необходим персональный компьютер. Однако статистика подобного рода непосредственно во время работы установки не нужна [4]. С целью записи информации нет необходимости использовать персональный компьютер - можно просто установить постоянное запоминающее устройство, например SD-карту. Для этого понадобится модуль для работы с MicroSD-картами, который подключим по следующей схеме [5]:
- К1 - реле включения контактора водяного насоса 8;
- К2 - реле включения соленоидов впускного клапана 12 и выпускных клапанов 5 и 6;
- КЗ - реле включения контакторов топливного насоса 14 и компрессора 13;
- К4 - реле включения соленоидов впускных клапанов топлива 19 и воздуха 20;
- К5 - реле включения свечи зажигания;
- ОС1 - обратная связь входного клапана воды;
- ОС2 - обратная связь выпускного клапана 5;
- ОСЗ - обратная связь выпускного клапана 5;
- ОС4 - обратная связь впускного клапана топлива 19;
- ОС5 - обратная связь впускного клапана воздуха 20.
Когда микроконтроллер выдаст на соответствующем выводе значение 1 (высокое напряжение), в схеме оптрона загорится светодиод, который установлен в цепях реле (например, реле включения свечи зажигания), в результате чего сработает нужное реле. Если на выходе будет 0, то светодиод погаснет и цепь разомкнется [6].
Выводы
Таким образом, в ходе исследований получены следующие результаты:
- разработана конструкция импульсного аэрозольного распылителя;
- предложен алгоритм ее работы;
- спроектирован конструктивный узел управления установкой на основе микроконтроллера Arduino Leonardo.
Распылитель предназначен для орошения и полива, может применяться также в качестве опрыскивателя растений агрохимикатами и удобрениями.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Покровский Г. И. Гидродинамические механизмы. М.: Знание, 1972. 48 с.
2. Гребнев А. К., Гридин В. Н., Дмитриев В. П. Оптоэлектронные элементы и устройства / под ред. Ю. В. Гуляева. М.: Радио и связь, 1998. 336 с.
3. Белов А. Б. Конструирование устройств на микроконтроллерах. СПб.: Наука и техника, 2013. 255 с.
4. Романенко Н. Г., Стуров Е. В. Применение микроконтроллерных систем для оценки действия внешних сил на корпус судна // Научная перспектива. 2014. Вып. 4. С. 200-207.
5. Подключение SD к Arduino // Популярная робототехника. URL: https://sites.google.com/site/poprobotics/ home/podkluceniesdkartkarduino.
6. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. М.: Постмаркет, 2011. Т. 1. 416 с.
Статья поступила в редакцию 20.04.2016, в окончательном варианте - 23.07.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Головко Сергей Владимирович — 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры электрооборудования и автоматики судов; g_s_v_2007@mail.ru.
Егоров Александр Николаевич — 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры электрооборудования и автоматики судов; cahek_7727@mail.ru.
Романенко Николай Геннадьевич — 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; зав. кафедрой электрооборудования и автоматики судов; nikolayrom@yandex.ru.
S. V. Golovko, A. N. Egorov, N. G. Romanenko
CONSTRUCTION AND DEVELOPMENT OF CONTROL SYSTEM FOR INSTALLATION OF PULSE AEROSOL DISPENSERS
Abstract. The aim of this study is to develop a structure of pulse aerosol dispenser and the system of control of the dispenser based on microcontroller. The dispenser is designed for efficient irrigation and soil moisture and can also be used as a spray of agrochemicals and fertilizers for plants. The unit has a combustion chamber that makes it rather complicated technological object using various sensors (pressure sensor and water level sensor, signals of which come to the controller and generate a controlling impact on the valves and pump motors). The constructive node of control of the technological process of spraying is designed on the basis of the microcontroller Arduino Leonardo. The algorithm of the operation of the unit is developed.
Key words: pulse aerosol dispenser, combustion chamber, sensors, controller.
REFERENCES
1. Pokrovskii G. I. Gidrodinamicheskie mekhanizmy [Hydrodynamic mechanisms]. Moscow, Znanie Publ., 1972. 48 p.
2. Grebnev A. K., Gridin V. N., Dmitriev V. P. Optoelektronnye elementy i ustroistva [Optoelectronic components and devices]. Pod redaktsiei Iu. V. Guliaeva. Moscow, Radio i sviaz' Publ., 1998. 336 p.
3. Belov A. B. Konstruirovanie ustroistv na mikrokontrollerakh [Construction devices on microcontrollers]. Saint-Petersburg, Nauka i tekhnika Publ., 2013. 255 p.
4. Romanenko N. G., Sturov E. V. Primenenie mikrokontrollernykh sistem dlia otsenki deistviia vneshnikh sil na korpus sudna [Application of microcontroller systems to assess the effect of external forces on the hull]. Nauchnaiaperspektiva, 2014, iss. 4, pp. 200-207.
5. Podkliuchenie SD k Arduino [SD connection to the Arduino]. Populiarnaia robototekhnika. Available at: https://sites.google.com/site/poprobotics/home/podkluceniesdkartkarduino.
6. Predko M. Rukovodstvo po mikrokontrolleram [Guide microcontrollers]. Moscow, Postmarket Publ., 2011. Vol. 1. 416 p.
The article submitted to the editors 20.04.2016, in the final version - 23.07.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Golovko Sergey Vladimirovich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Electrical Equipment and Automation of Vehicles; g_s_v_2007@mail.ru.
Egorov Alexander Nikolaevich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Course Student of the Department of Electrical Equipment and Automation of Vehicles; cahek_7727@mail.ru.
Romanenko Nikolay Gennadievich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department of Electrical Equipment and Automation of Vehicles; nikolayrom@yandex.ru.
