Электрическая принципиальная схема управления мультиконтактной коммутационной системой с 4 контактами и микроконтроллерным блоком управления Arduino Nano V3.0 CH340 для демонстрационного стенда

Введение. Мультиконтактные коммутационные системы (МКС) – это один из необходимых элементов для реализации концепций умных электрических сетей [1-4], с помощью которого возможно повысить надежность электроснабжения потребителей. Особенность МКС в независимом управлении силовыми контактами, которые позволяют реализовывать в данных коммутационных аппаратах различные функции автоматики, в том числе: АПВ и АВР [5]. В соответствии с классификацией МКС маркируются следующим образом (рис. 1):

МКССМ-8-5В(У1 -1 )-УХЛ1

мультико нтактная коммутационная система особенность исполнения: СМ - смешанная схема; М-мостовая схема;

при отсутствии - соединение с общей точкой.

число контактных групп число выводов (точка соединения контактных групп, к которым присоединён дополнительный вывод и количество этих выводов из данной точки)

климатическое исполнение.

например УХЛ1

Рисунок 1 – Расшифровка маркировки мультиконтактных коммутационных систем

Отработка схем управления опытными образцами МКС требуют их моделирования. Для этого разрабатывается демонстрационный стенд, который позволяет отрабатывать различные ситуации в электрической сети, содержащей несколько различных типов МКС. Каждая МКС должна быть оснащена схемой управления, позволяющей осуществлять переключения контактов МКС в зависимости от поступающих сигналов с датчиков тока и напряжения, а также команд диспетчера. Разрабатываемый стенд, среди прочих элементов, содержит МКС-4, то есть МКС, выполненную по схеме с общей точкой и имеющую 4 контактных группы и 4 вывода. В статье приводится проект электрической принципиальной схемы управления МКС-4. Спроектированная схема позволит безопасно проводить испытания и проследить логику МКС-4 в совокупности с микроконтроллерным блоком управления.

Цель работы. Проектирование электрической принципиальной схемы управления мультиконтактной коммутационной системой с 4-мя контактными группами и 4-мя выводами и микроконтроллерным блоком управления, в роли которого выступает плата Arduino Nano V3.0 CH340.

Задачи работы:

• •      описать особенности конструктивного исполнения МКС-4;

• •      построить на базе элементов электроники электрическую схему МКС-4,

которая будет отвечать условиям безопасной эксплуатации;

• •      описать используемый микроконтроллер Arduino Nano V3.0 CH340 и

• принцип управления электрической схемой МКС-4 с его использованием.

Однолинейная силовая схема МКС-4 представлена на рисунке 2, МКС-4 относится к МКС, выполненными с общей точкой.

Рисунок 2 – МКС-4 с обозначением контактных групп и выводов

Мультиконтактные коммутационные системы этого вида оборудованы несколькими контактными группами, причем все они имеют точку общего присоединения. К ним относятся как МКС-4, так и МКС-2, МКС-3, МКС-6…МКС-n (цифрами обозначено количество контактных групп).

МКС-4 имеет 4 группы выводов, которые обозначены на рисунке 1 как B1-B4, и 4 группы контактов, которые, соответственно, обозначены 1-4.

Для практической реализации МКС-4 разработана электрическая схема модели МКС-4, выполненная на основе элементов электроники. Она представлена на рисунке 3. Схема выполнена в виде электрической цепи, работа которой будет осуществляться от внешнего источника питания постоянного тока с использованием двух классов напряжения: 5В и 12В.

Все элементы в схеме имеют свою идентификационную маркировку, необходимую для их четкого определения при сборке и позволяющую правильно связать каждый элемент с микроконтроллером. Основная электрическая цепь напряжением 5В в точности схожа с изображением МКС-4, представленном на рисунке 3.

ф ф ф о.

о о ис

5 5 55

х  s sх

Ф  О)  0)ш §

N т- О                9 кО г-

DdDDDDQDQDD^a:a:1-

Рисунок 3 – Электрическая схема управления моделью МКС-4 с микроконтроллерным блоком Arduino Nano V3.0 CH340

На выводах у МКС-4 установлены светодиоды зеленого света с маркировкой (МКС-4B1…МКС-4B4з), которые отображают наличие напряжения на выводе. Они включены последовательно через резисторы, которые используются для предотвращения их сгорания. Например, светодиод с маркировкой МКС-4B2з означает, что светодиод установлен на выводе В2 коммутационного устройства МКС-4 и он зеленого (з) цвета.

Цепь напряжением 12В использована в схеме для питания обмотки электромагнитного реле. Причем параллельно каждому реле подключены светодиоды, отображающие замкнутое/разомкнутое положение контактов исполнительной цепи реле: это светодиоды с маркировкой МКС-4Реле1К…МКС-4Реле4К. Их маркировка соответствует маркировке светодиодов, отображающих напряжение на выводах: МКС-4Реле3К – светодиод (К) красного цвета коммутационного устройства МКС-4 является повторителем контакта номер три.

Изначально ток течет по обмотке реле и далее через коллектор и эмиттер транзистора, при этом номинальное значение тока недостаточно для того, чтобы произошло замыкание контакта исполнительной цепи. Конденсаторы, подключенные к выводам базы и эмиттера транзистора использованы в схеме для гашения вибраций, которые могут быть вызваны высокочастотными излучателями. В свою очередь вывод базы через последовательно включенное сопротивление подключен к микроконтроллерному блоку, который производит подачу напряжения на соответствующий электрод биполярного транзистора в соответствии с запрограммированными алгоритмами. При подаче напряжения номинальное значение тока достаточно для того, чтобы сердечник катушки реле намагнитился и притянул якорь в результате чего произошло замыкание контакта исполнительной цепи. Таким образом транзистор выполняет роль выключателя исполнительного контакта электромагнитного реле. В схеме использованы транзисторы типа n-p-n, принцип работы которых описан в [6].

Распиновка микроконтроллерного блока, использованного в электрической схеме представлена на рисунке 4.

D1/TX (1) DO/RX (2) RESET (3)

GND (4)

D2 (5)

D3 (6)

D4 (7)

D5 (8)

D6 (9)

D7 (10)

D8 (11)

D9 (12)

D10(13) D11 (14)

D12 (15)

(30) VIN

(29) GND

(28) RESET

(27) +5V

(26) A7

(25) A6

(24) A5

(23) A4

(22) A3

(21) A2

(20) A1

(19) AO

(18) AREF

(17) 3V3

(16) D13

Рисунок 4 – Распиновка микроконтроллерного блока Arduino Nano V3.0 CH340

Плата Ардуино Нано обладает значительным потенциалом возможностей. Она имеет 14 цифровых контактов, которые помечаются буквой D (digital-цифровой) и имеют подтягивающий резистор. Они могут использоваться как входы, так и как выходы. Для реализации МКС-4 использованы цифровые контакты D2-D5, которые производят управление контактами реле.

Аналоговые пины обозначаются непосредственно буквой – A. Они используются как входы и не имеют подтягивающих резисторов. Аналоговые пины измеряют поданное на них напряжение. Таким образом с использованием пинов А0-А3 мы производим мониторинг номинального напряжения на выводах у МКС-4.

Аналоговый пин А4 используется как шина связи. С его помощью осуществляется сбор данных (пин SDA) о состоянии контактов и наличии напряжения на выводах со всех коммутационных устройств на общий микроконтроллерный блок через интерфейс I2C. Аналогично, аналоговый пин А5 (SDL) используется как линия передачи тактового сигнала. Линия связи I2C является характерной особенностью использования микроконтроллера типа Arduino, реализация которой проста и может быть налажена всего по двум проводам. Ее работа производится в соответствии с библиотекой Wire, позволяющей плате Arduino осуществлять связь с другими устройствами.

Питание платы осуществляется от внешнего источника, в связи с чем и использован контакт напряжения питания 5В и контакт GND, являющийся нулевым [7].

Изменение положения выключателей происходит посредством анализа напряжения на выводах коммутационного устройства и передачи данных с микроконтроллера МКС-4 в общий микроконтроллерный блок, который в свою очередь с определенной задержкой опрашивает микроконтроллер МКС-4. При отклонении нормального режима работы в сети ведущий МБУ, в соответствии с запрограммированными в нем алгоритмами, передает сигнал о необходимости изменении конфигурации сети микроконтроллеру устройства. Таким образом, получив установку от ведущего микроконтроллера, плата Arduino выдает/снимает напряжение питания с используемых цифровых контактов, подключенных к базам транзисторов, и в результате чего происходим изменение положения контактов.

Выводы. По итогам проделанного исследования можно сделать следующие выводы:

• 1.    Спроектированная электрическая схема управления мультиконтактной коммутационной системой с 4 контактами позволит наглядно моделировать работу коммутационного устройства на основе использования элементов электроники и проследить логику его работы с наглядной реализацией разрывов цепи исполнительными контактами электромагнитного реле и наличием напряжения на выводах посредством использования полупроводниковых приборов с электроннодырочным переходом – светодиодов.

• 2.    Микроконтроллерный блок управления Arduino Nano V3.0 CH340 позволит производить автоматизированное управление контактами электрической схемы модели МКС-4 с использованием цифровых контактов и осуществлять мониторинг наличия напряжения на выводах мультиконтактной коммутационной системы с использованием аналоговых пинов.