Имитация полевого уровня САУ биогазовой установки для стенда настройки автоматики "БГУ-100"

Утилизация органических отходов на сегодняшний день является одной из важных экологических проблем. Отходы несут в себе потенциальную опасность как для здоровья людей, так и для окружающей природной среды [1]. Существует несколько способов утилизации биологических отходов (сжигание, измельчение, биологическая переработка и хранение на свалках). Одним из самых перспективных является использование биогазовых установок с анаэробным сбраживанием [2].

Биогазовая установка предназначена для экологически чистой безотходной переработки различных видов органических отходов с целью получения энергетических ресурсов (биогаз, электрическая и тепловая энергия); производства экологически чистых органических удобрений содержащих гуминовые вещества; утилизации отходов и улучшения экологической обстановки в зонах производства сельхозпродуктов и их переработки [3]. В ряду известных возобновляемых источников энергии биогазовые установки обладают максимальной устойчивостью и слабой зависимостью от стохастического характера изменения сырьевого потенциала [4].

Биогаз представляет собой смесь газов, основными в которой являются двуокись углерода и метан. Собственно метан, процентное содержание которого в биогазе составляет 50–80 %, и является ресурсом для выработки электрической и тепловой энергии [5, 6]

Учитывая преимущества использования биогазовых установок, компания Гильдия М совместно с Уральским федеральным университетом разработала биогазовую установку «БГУ-100».

Для настройки автоматических регуляторов, проверки алгоритмов дискретного управления, включая ФГУ (функционально-групповое управ- ление), а также для простой проверки работоспособности системы автоматического управления (САУ) [7] и исключения возможности выхода из строя дорогостоящего оборудования, было решено разработать лабораторный стенд для настройки автоматики биогазовой установки «БГУ-100».

Изначально было рассмотрено 3 варианта реализации стенда, приведенных в табл. 1. Вариант 3 был исключен из дальнейшего рассмотрения, так как его стоимость значительно превышает первые два.

На рис. 1 представлена принципиальная схема лабораторного стенда «БГУ-100» для первых двух вариантов.

Персональный компьютер (ПК) с установленной программой, написанной на языке программирования C# в рабочей среде Microsoft Visual Studio, используется для имитации работы биогазовой установки [8, 9]. С ПК данные о значении технологических параметров передаются в цифровом виде на микроконтроллер Arduino Mega 2560 через USB-кабель. Микроконтроллер Arduino Mega 2560 осуществляет имитацию работы датчиков, создавая на выходе токовые (4–20 мА) и импульсные сигналы, согласно цифровым значениям параметров, полученных от моделирующего компьютера [10]. Данные сигналы считываются модулями аналогового (ОВЕН МВ110 – 8А) [11] и дискретного (ОВЕН МВ110 – 16Д) [12] вводов, и передаются по цифровому протоколу RS-485 в контроллер ОВЕН СПК-207 [13], в который «загружены» алгоритмы аналогового (регуляторы с обратной связью) и дискретного (блокировки, защиты, ФГУ) управления.

Также контроллер получает переменные, которые приходят по цифровому каналу связи с ПК. ПК имеет связь с контроллером при помощи кабеля

Таблица 1

Технико-экономическое сравнение вариантов

Вариант	Оборудование	Стоимость, руб./шт.	Количество, шт.	Общая стоимость, руб.
1	ЦАП Microchip MCP4811	153,06	30	5609,18
	Микроконтроллер Arduino Mega 2560	1017,38	1
2	Конденсатор 1000 мкФ	6,82	30	3283,74
	Резистор 160 Ом	0,90	30
	Микроконтроллер Arduino Mega 2560	1017,38	3
3	Модуль дискретного вывода МУ110-16К	8437,00	1	44 396,99
	Модуль аналогового вывода МУ110-8И	8614,00	4
	Преобразователь интерфейсов Болид USB-RS485	1503,99	1

Дискретные

1Х0ДЫ

4-20мА

Аналоге

Имита!

Контроллер ОВЕН СПК 207

Контроллер Arduino Mega 2560

Прием импульс, сигналов

Дискретные

Работа системы автоматики БГУ гравление всеми элементами ь . Связь с компьютером --(передача недостающих сигналов (pH)) (передача управляющих сиги; на компьютер для имитации работы БГУ

Имитация импульс датчиков

Имитация сигналов с датчиков

Имитация 4-20мА датчиков Аналоговые выходы 4-20мА '

Стенд работы БГУ

Контрольные лампы работы установок

Контроль работы управляемых элементов

Магнитные пускатели

Компьютер

Имитация работы БГУ ।

Рис. 1. Принципиальная схема лабораторного стенда «БГУ-100»

Ethernet и осуществляет прием-передачу данных, моделируя работу датчиков, имеющих цифровой выход (например, датчики pH).

Согласно алгоритмам управления, контроллер ОВЕН СПК-207 реагирует на изменение входных параметров, отвечает за включение и регулирование объектов (мешалки, насосы, клапаны), подает управляющий сигнал на стенд, где загораются лампы, показывающие включение того или иного оборудования. Для контроля срабатывания маг- нитных пускателей используются дискретные входы типа «сухой контакт».

Компьютер принимает данные с контроллера СПК-207 о состоянии всех исполнительных механизмов и соответствующим образом имитирует поведение системы биогазовой установки.

При разработке стенда особое внимание было уделено удешевлению схемы имитации работы датчиков с сигналом 4–20 мА. Из-за большого количества аналоговых сигналов дешевизна решений по этому виду преобразования способна существенно снизить стоимость стенда в целом. Arduino Mega 2560 не имеет встроенного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), поэтому было решено рассмотреть 2 варианта схемы преобразования:

• 1)    внешний ЦАП;

• 2)    встроенный широтно-импульсный модулятор с применением фильтра нижних частот.

Внешний цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – это функциональный элемент, осуществляющий преобразование цифровой величины в аналоговую переменную [14]. Arduino Mega 2560 поддерживает интерфейсы I 2 C (TWI) и SPI. При выборе внешнего цифро-аналогового преобразователя учитывалось, что общее количество сигналов 4–20 мА составит более 20. Поэтому для создания такой схемы было решено использовать интерфейс SPI, чтобы избежать необходимости дополнительной установки мультиплексора.

После анализа различных вариантов был выбран ЦАП Microchip MCP4811.

Основные характеристики MCP4811:

• •    10-битный одноканальный ЦАП;

• •    SPI интерфейс с поддержкой тактовой частоты 20 МГц;

• •    время установки 4,5 мкс;

• •    имеет внутренний источник опорного напряжения 2,048 В;

• •    возможность программирования коэффициента усиления на выходе;

• •    возможность управления режимом работы ЦАП;

• •    диапазон напряжение питания: 2,7–5,5 В.

• •    расширенный диапазон рабочих температур: –40…+125 °С;

• •    корпус: 8-выводный PDIP [15].

На рис. 2 изображена схема подключения цифро-аналогового преобразователя.

Для определения зависимости тока от напряжения были проведены испытания цифроаналогового преобразователя (табл. 2). На вход ЦАП подавался цифровой сигнал в виде двоичного кода, где первые два бита используются для задания усиления и возможности отключения, а остальные десять бит описывают значения напряжения от 0 до 1024, что соответствует напряжению от 0 до 4,096 В.

На основе табл. 2 построена зависимость тока от напряжения (рис. 3).

Из рис. 3 видно, что в области графика от 0 до 2,75 В при сопротивлении 200 Ом наблюдалась линейная зависимость. Однако в результате эксперимента было выяснено, что при дальнейшем повышении напряжения сила тока ограничивается значением 13,35 мА. Следовательно, можно сделать вывод, что применение внешнего ЦАП без дополнительных элементов невозможно.

Широтно-импульсная модуляция . Микроконтроллер Arduino Mega 2560 имеет 13 выходов, которые могут использоваться в режиме широтноимпульсной модуляции с изменением ширины импульса от 0 до 255 (разрешение 8 бит). Преобразование ШИМ сигнала в аналоговый осуществляется на основе ФНЧ [16–17].

Фильтр нижних частот является схемой, которая без изменений передаст сигналы нижних частот, а на высоких частотах обеспечивает затухание сигналов и запаздывание их по фазе относительно входных сигналов [18] Был выбран фильтр нижних частот, основанный на RC-схеме [19]. Для проверки работоспособности схемы и правильного подбора параметров была построена модель в программном комплексе MATLAB Simulink представленная на рис. 4 [20–21].

	MCP48111	шунт, сопротивление МВА-8У
5 V      V_DD  1 цифровой разъем arduino SS    2	•	-------------1_______I--------------1_______H 7 v_ss        750 0м      50 0m -
разъем №52 arduino      SCK  3 разъем №51 arduino       SDI   4		6 SHDN     -^- 5 LDAC цифровой разъем arduino
	PDIP8

Рис. 2. Схема подключения цифро-аналогового преобразователя

Таблица 2

Зависимость тока от напряжения

U , В	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2
I , А	1,17	2,38	3,57	4,78	5,97	7,17	8,36	9,57
U , В	2,25	2,5	2,75	3	3,25	3,5	3,75	4
I , А	10,78	11,98	13,19	13,34	13,35	13,35	13,35	13,35

Напряжение, В

Рис. 3. График зависимости тока от напряжения ЦАП

На рис. 5 приведен график изменения тока I от времени t при ширине импульса 30 % (0–0,6 с) и 50 % (0,6–1,2 с). Ширина импульса регулируется с заданием в контроллере величины от 0 до 255, что соответствует ширине импульса 0 до 100 %.

На основании модели, построенной в программе MATLAB Similnk, была собрана схема с использованием микроконтроллера Arduino Mega 2560 и фильтром низких частот (RC-цепочка). Собранная схема приведена на рис. 6. Были проведены испытания широтно-импульсного модулятора

Резистор 160 Ом

Current

SensorCSL)

Voltage Source (SL)

Конденсатор

1000 мкФ

Scope

f(x) = О

Solver

Configuration

Рис. 4. Блок схема модели в программном комплексе MATLAB Similnk

Рис. 5. График зависимости тока I от времени t

Зависимость тока от ширины импульса

Таблица 3

Ширина импульса	25	50	75	100	125	150	175	200	250
I , А	1,99	3,98	5,98	7,98	9,99	12,01	14,03	18,08	20,2

Рис. 6. Проведение эксперимента с вышеописанными моделями

Рис. 7. График зависимости тока от ширины импульса

для определения зависимости тока от ширины импульса (табл. 3).

На основе табл. 3 построена зависимость тока от ширины импульса (рис. 7).

Из графика видно, что во всем рассматриваемом диапазоне наблюдалась линейная зависимость. Значение тока находится в пределах от 0 до 20,2 мА, что удовлетворяет нашим требованиям. Следовательно, для реализации имитации датчиков 4–20 мА была выбрана схема с встроенным широтно-импульсным модулятором и фильтром низких частот RC-цепочкой.

Заключение

В данной работе приведено описание стенда для настройки САУ биогазовой установки «БГУ-100». Стенд поможет смоделировать работу БГУ и исключить ошибки в работе системы автоматики биогазовой установки. Одним из важных аспектов данной работы является стоимость оборудования для имитации. Использование микроконтроллеров Arduino Mega2560 и схемы со встроенным широтноимпульсным модулятором и фильтром низких частот RC-цепочкой для имитации сигнала 4–20 мА позволяет существенно снизить стоимость модели для настройки САУ.