CC BY
0УДК 621.313.04
Д.С. Данилов, П.Г. Калин
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: rockdog. naruto@gmail.com
УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ И СИГНАЛИЗАЦИИ УРОВНЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
На камчатском флоте развивается проблема устаревания автоматизации судов, что необходимо устранять в процессе капитального ремонта, однако материалы, методы, установки и устройства современного образца являются дорогостоящими, что влияет на процесс обновления методов защиты от обрыва фазы или же сигнализации об этом, что в свою очередь приводит к неизгладимым последствиям в виде вышедшего из строя оборудования. Такие обстоятельства могут внести огромный риск для жизни членам экипажа, лишние финансовые расходы для компании. В данном случае появляется возможность усовершенствования и удешевления в производстве уже существующих систем и устройств защиты и сигнализации для более активного применения на судах, а также упрощенной установки, такой способ обнаруживается благодаря современным микроконтроллерам, их низкой стоимости относительно существующих по тому же направлению устройств, отсутствия механических составляющих (все исключительно цифровое) и простому языку программирования. Это позволяет сделать систему контроля параметров питания приводов автоматизированной, а самое главное - адаптивной, что как раз и удешевит создание таких систем контроля.
Ключевые слова: микроконтроллер, защита от обрыва фазы, финансово выгодное производство.
D.S. Danilov, P.G. Kalin
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: rockdog. naruto@gmail.com
AUTOMATED CONTROL AND ALARM OF INSULATION RESISTANCE LEVEL DEVICE
The problem of ship automation obsolescence is developing in Kamchatka fleet. It must be eliminated during the overhaul, however, materials, methods, installations and modern devices are expensive, which affects the process of updating protection methods against phase failure or signaling about it, which in turn leads to indelible consequences in the form of out-of-stand equipment. Such circumstances can introduce a huge risk to the lives of crew members, unnecessary financial costs for the company. In this case, it becomes possible to improve and reduce the cost in the production of existing protection and signaling systems and devices, for more active use on ships, as well as simplified installation, such method is possible thanks to modern microcontrollers, to their low cost in comparison with existing devices and the absence of mechanical components (all is exclusively digital) and to a simple programming language. It allows to make system for monitoring the parameters of the power supply of drives automated and above all adaptive that will reduce the cost of creating such control systems.
Key words: microcontroller, phase failure protection, financially profitable production.
В наше время остаются актуальными проблемы стоимости оборудования, ресурсов и способов сохранения работоспособности электродвигателей. Методы защиты по обрыву фазы работают успешно, только применяемые при этом реле контроля фазы стоят достаточно дорого. На многих рыбопромысловых судах в схеме защиты в основном используются тепловые реле, потенциометры и сигнализация о пониженном уровне сопротивления изоляции. Не во всех схемах питания потребителей присутствует УЗО и реле контроля фаз. Тепловое реле недостаточно надежно, так как может не сработать своевременно либо совсем не среагировать на поступивший сигнал перегрузки в связи с деформированной временем биметаллической пластиной. Оператор при этом физически не сможет за короткий период определить проблему и предпринять все необходимые меры по предотвращению нестандартной ситуации [1, 2].
В этой связи появляется необходимость автоматизированного контроля параметров электрического тока и защиты приводов, так как при обрыве фазы потребитель 380 V начинает забирать недостающий ток из оставшихся двух фаз, что неминуемо приведет к неравномерной нагрузке на обмотку привода, и в этом случае появляется возможность межвиткового пробоя, в лучшем случае двигатель просто не запустится [3, 4].
В эксперименте использовались: макетная плата Arduino, реле-контакторы, аналогово-цифровой преобразователь (для усиления и очевидной наглядности амплитуды поступающего сигнала) и контролируемый элемент - трехфазный генератор. Разумеется, можно макетную плату заменить на полноценную печатную в случае реализации данного способа аналоговой замены на судне. На данный момент времени существуют такие системы контроля и управления генераторными агрегатами, как: ГЕАПАС, ASA-S, AGS, однако немногие могут позволить себе столь роскошное решение проблемы с обновлением защиты цепей, либо же владельцы просто не хотят тратить значительный объем своих финансов, поэтому риск окончательного выхода из строя генераторов остается по-прежнему актуальным помимо того, что возникает высокая вероятность выхода из строя систем, отвечающих за живучесть судна [5, 6].
Также существуют РКФ - реле контроля фаз, которое позволяет наблюдать напряжение в сети, констатировать обрыв фазы и нарушение чередования. Но некоторые из них не отличаются надежностью, а в целом никакие виды из них нельзя подстраивать под различные типы приводов или же генераторных агрегатов.
Для изучения возможности использования аналогов микроконтроллерного контроля и учета уровня сопротивления изоляции при помощи доступных ресурсов была построена схема, приведенная на рис. 1.
Рис. 1. Схема подключения асинхронного двигателя
Эта схема обеспечивает связь микроконтроллера, трансформаторных датчиков и цепи питания, параметры которой фиксируются и преобразуются в управляющий выходной сигнал [7].
В данном случае схема реализует функцию замера напряжения фаз генератора, подключенного через трансформаторные датчики тока, проходящие через АЦП к аналоговым пинам микроконтроллера A4 и А5, поскольку только такой тип пинов может замерять напряжение от 0 до 5 В. Светодиоды зеленого и красного цветов отвечают за сигнализацию о нормальной работе или сбоя в ней соответственно, и подключены они к цифровым пинам платы D6, D5, так как цифровые пины могут выдавать сигнал 1 или 0, что соответственно равно либо 0 В либо 5 В, но плавного изменения между этими значениями нет, кнопка подачи сигнала на питание через контакторы-реле, подключенные к цифровым пинам D8, D9, D10, подключена к D7 и при нажатии подает логическую единицу в плату, запуская кусок программы, отвечающий за замыкание реле. При падении напряжения ниже установленного значения плата получает соответствующий сигнал от датчиков, и запускается кусок кода, отвечающий за прекращение подачи питания на двигатель, загорается красный светодиод, сигнализируя о ненормальной работе цепи. Q1 - тумблер-переключатель, необходимый для переключения между датчиками тока, вместо него возможно использовать реле-контактор для попеременной проверки значений датчиков через каждый установленный цикл [8, 9].
Для прошивки платы использовался следующий скетч: //подключение библиотеки дифференциального измерения АЦП #include <Adafruit_ADS1X15.h> Adafruit_ADS1115 ads; //объявление переменных датчиков int myFase1[10], n1, SUM1; float srednee 1; int myFase2[10], n2, SUM2; float srednee2; byte sila_toka;
//часть с кнопкой, диодами и реле boolean led_flag_RED = 5; //привязали светодиод к пятому цифровому пину boolean led_flag_GREEN = 6; //привязали светодиод к шестому цифровому пину #define button_pin 7 // привязали кнопку к седьмому цифровому пину #define relay_pin1 8 // здесь реле-контактор первой фазы питания #define relay_pin2 9 //здесь реле-контактор второй фазы питания #define relay_pin3 10 //здесь реле-контактор третьей фазы питания boolean butt_flag = 0; //запоминает последнее состояние кнопки boolean butt; //принимает текущее положение кнопки unsigned long last_press; void setup() { Serial.begin(9600); SeriaLprintln("Hello!");
SeriaLprintln("Getting differential reading from AIN0 (P) and AIN1 (N)"); Serial.println("ADC Range: +/- 6.144V (1 bit = 3mV/ADS1015, 0.1875mV/ADS1115)"); ads.setGain(GAIN_FOUR); if (!ads.begin()) {
Serial.println("Failed to initialize ADS.");
while (1); }
pinMode(6, OUTPUT); //настраиваем пин ЗЕЛЁНОГО светодиода как выход pinMode(5, OUTPUT); //настраиваем пин КРАСНОГО светодиода как выход pinMode(button_pin, INPUT); //настраиваем пин кнопки как выход с подтяжкой по встроенному резистору
pinMode(relay_pin1, OUTPUT); //пин выход первого реле pinMode(relay_pin2, OUTPUT); //пин выход второго реле
pinMode(relay_pin3, OUTPUT); //пин выход третьего реле }
void loop() { butt = digitalRead(button_pin); if (butt == 1 && butt_flag == 0 &&millis() - last_press > 100) { butt_flag = 1; //соответственно: если сигнал на 7 пине равен 1 и кнопка не была нажата = 0, то поднять флажок
last_press = millis(); digitalWrite(relay_pin1, 1); // подаём сигнал на замыкание первого реле digitalWrite(relay_pin2, 1); // подаём сигнал на замыкание второго реле digitalWrite(relay_pin3, 1); // подаём сигнал на замыкание третьего реле
digitalWrite(led_flag_GREEN, 1); // }
if (butt == 0 && butt_flag == 1) {
butt_flag = 0; // запоминает положение кнопки }
float multiplier = 0.03125F;
myFase1[n1] = ads.readADC_Differential_0_1();
n1++;
if (n1 > 9) n1 = 0; SUM1 = 0;
for (byte i1 = 0; i1 < 10; i1++) {
SUM1 += myFase1[i1]; }
srednee1 = SUM1 / 10; myFase2[n2] = ads.readADC_Differential_2_3();
n2++;
if (n2 > 9) n2 = 0; SUM2 = 0;
for (byte i2 = 0; i2 < 10; i2++) {
SUM2 += myFase2[i2]; }
srednee2 = SUM2 / 10;
Serial.println(srednee1 * multiplier); Serial.println(srednee2 * multiplier); if (srednee1* multiplier> sila_toka && srednee2* multiplier> sila_toka) { Serial.println("Its ok, dude"); led_flag_GREEN = 1; led_flag_RED = 0;
} else if (srednee 1 < sila_toka && srednee2 < sila_toka) { Serial.println("Still good, guy"); led_flag_GREEN = 0; led_flag_RED = 1; myFunction();
} else if (srednee 1 == sila_toka && srednee2 == sila_toka) { Serial.println("Smth wrong, bro, check out the phases"); led_flag_GREEN = 0; led_flag_RED = 1;
myFunction(); }
}
void myFunction() { digitalWrite(relay_pin1, 0); digitalWrite(relay_pin2, 0);
digitalWrite(relay_pin3, 0); }
Проведя эксперимент по замеру параметров тока в цепи питания двигателя, мы получили следующий результат: искусственно создавая пробой в фазе генератора на землю (просто снимали
регистрирующий размер тока в цепи питания двигателя датчик, в связи с чем сигнал становился равным нулю), плата регистрировала входной сигнал аналогового пина как отклонение от заданного значения тока (оно не должно равняться нулю, что свидетельствует о наличии питания в фазе) и отключала генератор от питания с помощью подачи сигнала на размыкание реле-контакторов в цепи снабжения питанием. При этом загорался красный светодиод, сигнализируя о нарушении в нормальной работе электрической цепи генератора [10, 11].
Устраняя искусственный пробой, вновь запуская генератор, регистрировалась нормальная работа генератора, о чем по итогу свидетельствовало горение зеленого светодиода, и велся дальнейший учет параметров тока питания генератора.
Также следует отметить основное преимущество перед РКФ - способность данной системы работать с любыми электродвигателями и генераторами до 20 А, поскольку сами датчики тока рассчитаны на 20 А. Для этого останется просто изменить пороговые значения реакции платы на отклонение в поступающем сигнале с датчиков.
Таким образом, используя доступную элементную базу, простые схемные решения и универсальные программные продукты, представляется возможным решение актуальных задач повышения степени надежности и безопасности судового электрооборудования.
Литература
1. Белов О.А. Оценка технической готовности системы с учетом влияния человеческого фактора // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2014. - № 30. -С.11-16.
2. Белов О.А. Аналитический обзор факторов эффективной эксплуатации морского транспорта // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - Ч. 1. - С. 5-9.
3. Белов О.А., Мясников Г.С. Внедрение комплексной защиты судовых асинхронных электроприводов // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Второй междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2020. - С. 73-76.
4. Белов О.А. Оценка безопасности эксплуатации судовых энергетических установок // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2017. - № 42. - С. 6-10.
5. Белов О.А., Швецов В.А. К вопросу о повышении экологической безопасности судов при долговременном стояночном режиме // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы IX Всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2018. - С. 119-121.
6. Белов О.А., Зайцев С.А. К вопросу оценки безопасности морских судов камчатского флота // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы X Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 80-83.
7. Сивоконь В.П., Лапшов Д.В., Белов О.А. Диагностические признаки нестандартного проявления нелинейности в электрических сетях // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2019. - № 48. - С. 18-27.
8. Кротенко Д.С., Тимощук В.Н., Белов О.А. Моделирование оптимальных режимов работы электростанции с различными генераторами // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2019. - Т. 15, № 3. - С. 36-40.
9. Кротенко Д.С., Белов О.А. Моделирование процессов оптимизации режимов судовой электроэнергетической системы при электропитании от береговой сети // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Второй междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2020. - С. 77-80.
10. Белов О.А., Белова Е.П. Инженерное образование как фактор развития техники и технологий // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Х Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 106-108.
11. Белов О.А., Толстова Л.А. Моделирование процесса обучения курсантов для формирования навыков технической эксплуатации // Вестник Государственного морского университета им. адмирала Ф.Ф. Ушакова. - 2016. - № 3 (16). - С. 78-81.
