CC BY
131
ft
Irl
Феоктистов Н.А. Feoktistov N.Л.
доктор технических наук, профессор Московского государственного университета дизайна и технологий, Россия, г. Москва
\
Феоктистов А.Н. Feoktistov A.N.
кандидат технических наук, до-
Варламов И.В.
Varlamov I. V.
доктор технических наук, профессор Института государственного цент Института государственного управления, права и инновационных управления, права и инновационных технологий, Россия, г. Москва технологий, Россия, г. Москва
УДК 621.79
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗНО-ВОДНОГО ГЕНЕРАТОРА С ПРИМЕНЕНИЕМ МИКРОЭВМ
В статье предложены принципы построения и защиты электролизно-водного генератора. Приведены результаты разработки схем системы управления на основе изобретений авторов и системы управления защиты и контроля генератора на базе PIC 16F84A.
Ключевые слова: электролизно-водный генератор (ЭВГ), система управления, микроЭВМ.
the control system and automatic control modes of electrolytic water generator using a micro-computer
The paper proposes design principles and the protection of electrolytic water generator. The results of development schemes of control systems based on invention of the authors and control system protection and control of the generator to the base PIC16F84A.
Key words: electrolytic water generator, control system, micro-computer.
Важной составной частью комплексной автоматизации производства является автоматизация технологического оборудования. Это предусматривает создание аппаратов, оснащенных локальной автоматикой и программными средствами, позволяющими управляющей ЭВМ менять параметры и режимы и тем самым автоматизировать процессы. Методология системного подхода к автоматизации каждой локальной системы включает в себя изучение свойств, процессов и режимов работы с целью создания структурной модели и выбора наиболее целесообразных способов и средств управления.
За основу разработки структурной схемы ЭВГ можно взять модель автоматической системы управления технологическим процессом, которая включает в себя совокупность объекта управления и управляющей системы (рис. 1), в которой х1 п
- входные контролируемые параметры, у 2 3 т -
управляемые выходные параметры, Ц 2 3 g - управляющие сигналы, V, Н - воздействия или сигналы от органов управления внешних устройств.
Современной элементной базой автоматизации оборудования являются микропроцессорные системы управления, реализуемые на основе однокристальных микроЭВМ и интегральных микросхем.
Применительно к электролизно-водным генераторам, реализация законов формирования сигналов управления регулирующих органов, управление режимами работы электролизера и его защита по давлению, температуре, возникновению обратного удара, контролю и защиты элементов электрооборудования при средних и больших мощностях электролизно-водной установки может эффективно осуществляться современными микропроцессорными комплектами на базе микроконтроллеров, аналоговых и цифровых датчиков состояния, соответ-
ствующих аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей сигналов, дополнительных элементов цифровой логики, устройств отображения информации, исполнительных устройств, а также
устройств внешнего управления [1]. Все это в целом можно определить как электронная автоматическая управляющая система.
X;
объект
управления
-> У»
Уш
к I ‘ ♦ ♦ ♦
Ч| и: 1 1 1 ъ і і і
управляющая
система
“ТТТТ
Н V
Рис. 1. Модель функциональной структурной автоматической системы управления
На рис. 2 представлена упрощенная структурнофункциональная система управления ЭВГ с применением микроЭВМ.
В соответствии с рисунком узел 1 представляет собой силовой регулирующий блок на полупроводниковых элементах, осуществляющий функции питания электролизера 2 в соответствии с принятой схемой регулирования мощности, а также отключение установки от электрической сети в случае возникновения аварийных ситуаций (возникновение обратного удара, отказ датчиков состояния или какой-либо сбой в системе управления). На электролизере 2 установлены датчики состояния 3, фикси-
рующие температуру электролизера, давление в самом электролизере и газотранспортной системе в целом, а также датчики возникновения волны обратного горения (обратный удар). Сигналы с датчиков через устройства сопряжения 7 поступают в микроЭВМ 6 и после соответствующей обработки опять через устройства сопряжения 5 - на исполнительные механизмы блоков 1 и 2 (включение и выключение устройства охлаждения электролизера, аварийное отключение, изменение параметров питания, включение клапана защиты от обратного удара и др.).
Реї улирующий орган на тиристорах / 1 Электролизер
5 **
Устройство сопряжения вывода Устройство от обратного удара
МикроЭВМ ^ 6 Устройство сопряжения ввода
Датчики давления, температуры, обратною удара и др
Рис. 2. Структурно-функциональная система управления ЭВГ с применением микроЭВМ 1 - пуско-регулирующий блок; 2 - электролизер с газотранспортной системой; 3 - датчики состояния; 5, 7 - устройства сопряжения по входу и выходу; 4 - исполнительное устройство защиты от обратного удара, 6- управляющая микроЭВМ
Рассмотрим функциональную схему технологической автоматизированной установки для производства паяльно-сварочных работ. Устройство содержит электролизер, соединенный газопроводом с отстойником, водяным затвором, осушителем, барбатером с легковоспламеняющейся жидкостью, газосмесителем и горелкой. В блок управления
электролизером входят контактор, блок питания, регулятор мощности [2, 3].
Предлагаемое техническое решение [4] по сравнению с известными позволяет повысить эксплуатационную надежность и безопасность работы, причем улучшается технологический характер пламени, повышается стабильность работы электро-
лизера, автоматизация приводит как к повышению производительности за счет увеличения скорости сварки и точности, так и к повышению качества сварных соединений. Значительно упрощается процесс гашения пламени и повышения безопасности работы. Кроме того, при аварийном отключении электропитания не происходит подгорания горелки и проникновения обратного удара в шланги установки. Повышается надежность оборудования и повышается производительность сварки и пайки благодаря повышенной тепловой мощности пламени за счет высококалорийных добавок в гремучий газ; обладает сравнительно простой схемой автоматического управления, позволяющей безопасно осуществить весь технологический процесс. На рис. 3 представлена блок-схема усовершенствованного устройства. Устройство для газопламенной обработки содержит те же блоки. Отличие в том, что горючая смесь, выходящая из электролизера 4, по газопроводу проходит в отстойник 10, где осаждается неразрушительная пена, далее - через редукционный клапан 20, где осуществляется снижение давления до рабочей величины. Далее - через слой жидкости барбатера двойного действия (водяной затвор), где горючая смесь освобождается от влаги и через осушительный фильтр с пламегасителем поступает чистый гремучий газ через газосмеситель 15 в горелку 16. Кроме того.
часть гремучего газа проходит через второй барба-тер двойного действия с легковоспламеняющейся жидкостью (ацетон, бензин, спирт) и насыщается ее парами. Очищенная горючая смесь по газопроводу подается через вентиль 14, на газосместитель 15, на второй вход вентиля подается из источника 17 углеводородный газ (пропан С3Н), который через газосместитель 15 поступает в горелку 16.
Применение двух потоков горючего газа, один из которых остается «чистым», а другой насыщается в барбатере двойного действия легковоспламеняющейся жидкостью, и использование источника 17 с углеводородной смесью позволяет плавно регулировать состав горючей смеси в более широких пределах, чем достигается изменение температуры и активного характера пламени - от окислительного (избыток кислорода) до нормального (отсутствие свободного кислорода) и науглероженного (избыток паров углеводородных соединений).
Использование источника 17 с углеводородной смесью позволяет значительно уменьшить вероятность обратного удара, так как, во-первых, доля кислорода в смеси здесь значительно меньше, чем стехиометрическое соотношение для гремучего газа и, во-вторых, легко устанавливается скорость истечения газа перед соплом горелки значительно большей скорости распространения волны горения.
Рис. 3. Функциональная блок-схема модернизированной автоматизированной установки 1 - контактор; 2 - блок питания; 3 - регулятор мощности; 4 - электролизер; 5 - блок защиты по давлению;
6 - блок защиты по температуре; 7 - логическая схема «ИЛИ»; 8 - управляемый ключ; 9 - регулятор давления; 10 - отстойник; 11 - водяной затвор; 12 - осушитель; 13 - узел обогащения газовой смеси; 14 - вентиль;
15 - газосмеситель; 16 - горелка; 17 - источник газа углеводорода (пропан); 18 - датчик давления;
19 - блок защиты по давлению; 20 - редукционный клапан
Встраивание в газотранспортную систему редукционного клапана 20 позволяет разделить газотранспортную систему на две части, в одной из которых поддерживается значительно большее давление, что требуется для эффективной работы электролизера, в другой же - области низкого давления - поддерживается оптимальный режим для
насыщения углеводородными соединениями газовой смеси, а также для технологии процесса. Разбиение газотранспортной системы на области высокого и низкого давления приводит к существенному улучшению энергетических, а также габаритных и массовых характеристик электролизно-водного генератора.
Предполагаемое техническое решение, по сравнению с известными, позволяет повысить эксплуатационную надежность и безопасность работы. Благодаря улучшению условий очистки смеси улучшается технологический характер пламени, повышается стабильность работы электролизера, а автоматизация приводит как к повышению производительности за счет увеличения скорости сварки и точности, так и к повышению качества сварочных соединений. Повышается надежность оборудования, производительность сварки и пайки благодаря увеличению тепловой мощности пламени при сохранении массогабаритных показателей электролизно-водного генератора, который становится легко транспортируемым устройством, обладает сравнительно простой схемой автоматического управления, позволяющей безопасно осуществить весь технологический процесс.
Известно, что смеси водорода и кислорода становятся взрывоопасными, если в водороде содержится более 5,7% кислорода, а в кислороде более 5% водорода [5]. Из этого следует, что с целью обеспечения надежности и взрывобезопасности, а также с целью регулировки характера и параметров пламени целесообразно раздельное получение водорода и кислорода.
Функциональная схема системы управления и защиты установки на базе электролизно-водного генератора, построенная на базе рассмотренной выше функциональной схемы, с учетом ориентации
на раздельное получение кислорода и водорода и использование микроЭВМ для контроля и управления работой генератора, представлена на рис. 4.
Основным узлом установки является электролизер 4 монополярного типа, генерирующий кислород (на аноде) и водород (на катоде) [6].
Газы накапливаются раздельно в кислородной и водородной областях электролизера. Далее газы проходят кондиционирование (освобождаются от излишков влаги и паров щелочи) в устройствах 5, 6. С целью снижения энергетических затрат электролиз ведут при повышенном давлении в электролизере (обычно при 0,3 ^ 0,6 МПа). Уровень высокого давления заканчивается управляемыми от микроЭВМ редукторами 7, 8, что позволяет программно регулировать мощность и химический состав (окислительный или восстановительный) для реализации заданного цикла или режима сварки и пайки. После редукторов газы раздельно проходят через устройства защиты от обратного удара 9, 10 и поступают через вентили ручного управления 11, 12 к горелке. Вентили выполняют активную функцию регулирования мощности и характера пламени в случае ручной сварки и пайки или их роль ограничивается функцией клапана в случае ведения процесса в автоматическом режиме, когда мощность и характер пламени изменяются с помощью ЭВМ по заданной программе посредством управляемых редукторов.
Рис. 4. Функциональная схема системы управления и защиты технологической установки на базе электролизно-водного генератора. 1 - тиристорный блок управления; 2 - выпрямительный блок; 3 - расходомер электроэнергии; 4 - электролизер; 5, 6 - устройство очистки газов; 7, 8 - редукторы газовые с электронным управлением; 9, 10 - устройство защиты от обратного удара и обрыва в газотранспортной системе; 11, 12 - вентили газовые; 13 - оптронная развязка;
14 - формирователь импульсов; 15 - триггер; 16 - счетчик; 17 - компаратор; 18 - микроЭВМ
Питание электролизера осуществляется через тиристорный контактор 1, объединяющий функции управления, защиты и коммутации, и выпрямительный мост 2, обеспечивающий сглаженный ток. Непосредственно на шины постоянного тока устанавливается датчик расхода электроэнергии 3, сигнал с которого контролируется на ЭВМ. Это позволяет после обработки сигнала на ЭВМ реализовать контроль расхода газа.
Выпрямленное пульсирующее напряжение поступает на вход формирователя импульсов 14, с выхода которого снимается сигнал в виде электрических импульсов, фронты которых начинаются с точки пересечения синусоид подводимого трехфазного напряжения. Увеличение напряжения с точки пересечения напряжений вызывают запоминание сигнала с выхода компаратора D в триггере и прибавление единицы к текущему содержимому счетчика. При переполнении счетчика он начинает счет с нуля, а затем опять пойдет следующее переполнение. Компаратор сравнивает п-разрядное положительное двоичное число N поступающее от счетчика, с (п + 1) разрядным числом Р, поступающим из порта микроЭВМ. Число определяет среднюю мощность нагрузки и остается стабильным до изменения мощности. Если N > Р, то на выходе компарато-
ра формируется логическая «1», в противном случае
- логический «0». С целью отключения электролизера от сети микроЭВМ записывает в выходной порт любое (п + 1) разрядное число, содержащее в старшем разрядке «1». При этом п-разрядные числа N < Р, что соответствует «0» на выходе компаратора, который постоянно должен подтверждаться. Чтобы электролизер был включен и не отключался от сети, микроЭВМ записывает в выходной порт нулевой код (Р = 0). При этом условие N > Р выполняется для любого кода в счетчике. На выходе компаратора имеем постоянно «1», и тиристорная система подключает электролизер к сети.
При дозированном включении электролизера с целью стабилизации давления микроЭВМ может задавать любые градации подаваемого на электролизер электропитания. Это обеспечивается записью в выходной порт чисел Р, обеспечивающих режим дозирования. При подключении электролизера в произвольные моменты времени могут возникать кратковременные скачки тока, так как электролизер является активно-емкостной нагрузкой для сети.
Вместо компаратора можно использовать ПЗУ. с выхода которого может подаваться сигналы включения электролизера (рис. 5).
Рис. 5. Схема с ПЗУ вместо компаратора
Более эффективная схема блока, обеспечивающего программную реализацию регулирования режимов электролизера, может быть построена введением в состав микроЭВМ сетевого таймера. Для этого вход h оптронной развязки 13 изолируется от выхода D-триггера 15 и подключается непосредственно к одному из разрядов выходного порта микроЭВМ. Опираясь на фиксированное значение Р и текущее N процессор каждый раз отыскивает в ПЗУ нужный бит и передает в выходной порт.
На рис. 6 представлены основные узлы принципиальной электрической схемы системы управления, защиты и контроля ЭВГ постоянной на базе микроконтроллера PIC16F84A.
В качестве датчика температуры в схеме ис-
пользован DS18B20, работающий в диапазоне температур от -50 до +125 °С. Выходной сигнал датчика в цифровой форме, так что он может быть непосредственно подключен к микроконтроллеру (уровни сигналов также согласуются). В качестве датчиков давления используются уже проверенные нами ранее релейные сигнализаторы давления типа МСТ. Рабочий - на давление до 3 атм (0,3 МПа). Аварийного отключения - до 6 атм (0,6 МПа). В качестве сигнализаторов состояния электролизера по температуре используются светодиоды: синий D1 -холодный электролизер, зеленый D2 - температура достигла оптимальной величины (80 °С) и красный D3 - перегрев электролизера (Т > 85 °С).
Рис. 6. Схема системы управления защиты и контроля ЭВГ на базе РЮ6Р84А 1 - датчик температуры DS18B20 с цифровым выходом; 2 - электрическая схема сигнализатора рабочего давления (ОРЦ); 3 - электрическая схема сигнализатора критического давления (DKD); 4 - схема включения системы охлаждения; 5 - схема рабочего включения и отключения питания электролизера; 6 - схема аварийного отключения ЭВГ по температуре; 7 - схема аварийного отключения ЭВГ по давлению
В качестве развязывающих и усилительных элементов в каналах управления исполнительными механизмами используются транзисторные оптроны (Т 4, 5, 6, 7).
Список литературы
1. Варламов И.В. Системы электропитания и управления электролизно-водными генераторами: Монография [Текст] / И.В. Варламов, Н.А. Феоктистов. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и Ко», 2011. - 202 с.
2. Феоктистов Н.А. Перспективы создания и применения бытовых электротехнологических установок на базе электролизно-водного генератора [Текст] / Н.А. Феоктистов // Научный журнал «Теоретические и прикладные проблемы сервиса».
- 2001. - № 1.
3. Патент № 2014185 Российская Федерация, МПК7В23К5/00, С25В15/02. Устройство для газопламенной обработки материалов [Текст] / И.В. Варламов, Н.А. Феоктистов и др.; заявитель
и патентообладатель В. Варламов, Н.А. Феоктистов и др. - № 5055042/08; заявл. 16.07.1992; опубл. 15.06.1994.
4. Патент № 2447976 Российская Федерация, МПК7В23К5/00,С25В1/12. Устройство для газопламенной обработки материалов [Текст] / И.В. Варламов, Д.Л. Михайлюк, Н.А. Феоктистов, В.Д. Ходжаев; заявитель и патентообладатель ОАО «Научно-исследовательский институт точных приборов» (Ки). - № 2010136415/02; заявл. 02.09.2010; опубл. 20.04.2012. - Бюл. № 11.
5. Электротехнологические промышленные установки. Учебник для вузов [Текст] / И.П. Евтю-кова, Л.С. Кацевич, Н.М. Некрасова, А.Д. Свенчан-ский; под ред. А.Д. Свенчанского. - М.: Энергоиз-дат, 1982. - 400 с.
6. Феоктистов H.A. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси для сварки и пайки [Текст] / Н.А. Феоктистов, А.А. Тиканов, Е.В. Ларин, А.Н. Феоктистов // Естественные и технические науки. - 2008. - № 6 (38). - С. 292-297.
