Разработка и описание функциональной схемы САУ и её заданных элементов

• 1.1    Функциональная схема САУ

В данном дипломном проекте разработана функциональная схема микропроцессорной системы дистанционного управления температурой жилого помещения. Функциональная схема САУ приведена на рисунке 1.1.

На рисунке приняты следующие обозначения:

УУ – управляющее устройство, которое включает в себя GSM – модуль с дистанционным задатчиком; РТ1 - регуляторы температуры отопляемого помещения, РТ2 – регуляторы температуры теплоносителя газового котла.

ИМ – исполнительный механизм, которое включает в себя У – усилитель; ЭМК – электромагнитный клапан.

ОУ – объект управления, которое включает в себя ГК – газовый котел; ОП – отапливаемое помещение.

ДТ1 – датчик температуры отапливаемого помещения, ДТ2 – датчик температуры теплоносителя газового котла.

АЦП – аналого-цифровой преобразователь.

• 1.2    Исполнительный механизм

Рассматриваемый исполнительный механизм (рис.1.2) состоит из двух элементов, таких как усилитель и электромагнитный газовый клапан.

Рисунок 1.2 - Исполнительный механизм

На рисунке 1.2 приняты следующие обозначения:

• У    – усилитель;

ЭМК – электромагнитный газовый клапан.

Усилитель — устройство для усиления входного сигнала (напряжения), но без изменения вида самой величины и сигнала, до уровня достаточного для открытия электромагнитного газового клапана. (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Электромагнитный газовый клапан

Электромагнитный газовый клапан - это одно из устройств трубопроводной арматуры, предназначенное для распределения и регулирования подачи газа, а также на газовых трубопроводах. Главной отличительной особенностью электромагнитного газового клапана является дистанционное управление, которое осуществляется при помощи подачи электричества, из-за которого происходит образование электромагнитного поля, что приводит в движение плунжер в заданном направлении, а тот в свою очередь втягивает плунжер.

Рабочим элементом газового электромагнитного клапана является плунжер - расположенный внутри корпуса. Совершая возвратнопоступательные движения, плунжер открывает или перекрывает подачу газа. Устанавливается он на магнитный стержень. Сама же катушка электромагнита устанавливается в верхней части корпуса с наружной стороны клапана.

Во время эксплуатации, клапан подвергается воздействию двух сил – с одной стороны это сила сопротивления возвратной пружине, а другой – сила магнитного поля. Последняя регулируется напряжением – чем больше напряжение, тем сильнее плунжер втягивается в катушку, с помощью которой преодолевается воздействие пружины. Таким образом, с помощью регулировки напряжения можно регулировать степень открытия или закрытия электромагнитного газового клапана, а, следовательно, и подачу газа. При отключении электропитания клапан приходит в исходное положение – закрыт (рис. 1.4).

Газ поступает в клапан через вход газа. Отверстие закрывается и открывается плунжером. Клапан является нормально закрытым, то есть без напряжения не будет поступать газ. В нормально закрытых клапанах используется возвратная пружина, которая прижимает наконечник плунжера к отверстию. Уплотнительный материал на конце плунжера удерживает носитель от попадания в выход газа до тех пор, пока плунжер не поднимется электромагнитным полем, создаваемым катушкой.

Рисунок 1.4 - Электромагнитный газовый клапан

На рисунке приняты следующие обозначения:

• 1    - Корпус клапана;

• 2    - Вход газа;

• 3    - Выход газа;

• 4    - Катушка (соленоид);

• 5    - Обмотки катушек;

• 6    - Провода питания;

• 7    - Плунжер;

• 8    - Пружина возвратная.

• 1 .3 Газовый котёл

Газовый котёл — устройство для получения тепловой энергии в целях, главным образом, отопления помещений различного назначения, нагрева воды для хозяйственных и иных целей, путём сжигания газообразного топлива. Газообразным топливом для газовых котлов чаще всего является природный газ — метан или пропан-бутан. На сегодняшний день во многих регионах природный газ является наиболее доступным видом топлива.

Газовый котел предназначен для нагрева воды за счет передачи энергии от продуктов горения. Оборудование создано для обеспечения отопления и горячего водоснабжения и, по сути, представляет миниатюрную котельную для частных домов в городе и дачных поселках. Индивидуальное газовое отопление возможно и в многоквартирных домах при условии наличия разрешения на установку такого оборудования.

Несмотря на рост цен на природный газ, такие агрегаты остаются самыми востребованными по ряду причин. Во-первых, газ – это все-таки самое дешевое топливо. Во-вторых, современные газовые котлы оснащаются несколькими уровнями безопасности и способны поддерживать необходимую температуру в помещении. В-третьих, отличаются бесшумной работой, небольшими габаритами и невысокой ценой. Схема газового котла приведена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Газовый котел

На рисунке приняты следующий обозначения:

• 1    – датчик температуры подающей линии отопления;

• 2    – электромагнитный газовый клапан;

М – подающая линия горячей воды в систему отопления;

G – вход газа;

• F    – подача холодной воды для наполнения системы;

R – возврат воды из системы отопления.

Принцип работы котлов заключается в том, что при подаче газа к котлу включается пьезоэлектрический розжиг. От искры зажигается запальник, который всегда горит. Подача газа к горелке при не горящем запальнике недопустима из-за возможности взрыва газа. От запальника загорается основная горелка, она греет теплоноситель в котле до заданной температуры, после чего система отключает горелку.

• 1.4    Датчики1.4.1    Датчик температуры помещения

В устройстве TEPLOCOM GSM используется цифровой измеритель температуры DS18B20(рис.1.6), с функцией тревожного сигнала контроля за температурой. Данный датчик широко используется в электронике из-за своей простоты и надежности. Он относится к типу NTC (с отрицательным температурным коэффициентом), то есть при увеличении температуры, сопротивление датчика уменьшается.

Одной из функций датчика является функция тревожного сигнала. Осуществляется данная функция следующим образом: записанная оператором в память датчика температура нижней границы и верхней границы постоянно сравниваются с опрашиваемой температурой помещения, и при переходе через указанные границы сообщает управляющему устройству о тревоге, и возможном перегреве/избыточном охлаждении теплоносителя. Данный датчик является цифровым, и не требует внешнего АЦП для получения цифрового сигнала управляющим устройством. Функциональная схема датчика представлена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Функциональная схема датчика температуры отопляемого помещения

Датчик температуры отопляемого помещения(рис.1.7) – это цифровой температурный датчик, обладающий множеством полезных функций. По сути, это целый микроконтроллер, который может хранить значение измерений, сигнализировать о выходе температуры за установленные границы, менять точность измерений, способ взаимодействия с контроллером и многое другое. Все это в очень небольшом корпусе, который, к тому же, в водонепроницаемом исполнении.

Рисунок 1.7 - Датчик температуры отопляемого помещения

Датчик температуры отопляемого помещения имеет три выхода, из которых для данных используется только один, два остальных - это земля и питание. К одному проводу с данными можно подключить сразу несколько датчиков DS18B20.

Технические характеристики:

• -    диапазон измеряемых температур: от -40 до +125 °C;

• -    точность: ±0,5°C (в пределах -10...+85 °C);

• -    напряжение питания: 3-5,5 В;

• -    потребляемый ток при опросе: 1 мА.

Достоинства данного датчика:

• -    присутствует функция тревожного сигнала;

• -    устройство обладает своим уникальным серийным кодом;

• -    не требуются дополнительные внешние элементы;

• -    низкая стоимость;

• -    небольшие размеры;

• -    надежность;

• -    для присоединения к микроконтроллеру нужны только 3 провода.

Недостатки данного датчика:

• -    нелинейный выход;

• -    медленный отклик;

• -    перегрев при частом опрашивании датчика.

• 1.4.2    Датчик температуры теплоносителя газового котла

Датчик температуры теплоносителя газового котла включает в себя первичный преобразователь, усилитель и АЦП. Предназначен для измерения температуры различных рабочих сред (пар, газ, вода, сыпучие материалы, химические реагенты и т.п.), не агрессивных к материалу корпуса датчика. Первичный преобразователь производит изменение температуры в термоЭДС. Конструктивно термопара выполняется в виде массивного стержня, при помещении которого в зону измерения требуется определенное время для его прогрева до температуры окружающей среды. Следовательно, результат будет получен не мгновенно, а с некоторой задержкой.

Спаи термопар изготавливаются в различных конфигурациях, каждая из которых имеет свои преимущества для применения в определенных системах. В данном случае используется термопара из спая хромель-копель, так как данный вид спая менее чувствителен к электрическим шумам (рис.1.8).

Рисунок 1.8 - Функциональная схема датчика температуры теплоносителя газового котла

Данный первичный измеритель является аналоговым, поэтому для работы с ним используется усилитель и АЦП.

Преимуществами термопары являются:

• -    широкий диапазон рабочих температур;

• -    простота изготовления;

• -    надежность;

• -    прочность конструкции.

Недостатки термопары:

• - медленная скорость реагирования на изменение температуры внешней среды;

• - показания зависят от качества линий связи (высокая зависимость от расстояния между термопарой и устройством считывания).

• 1.5    Устройство управления

В микропроцессорной системе дистанционного управления температурой жилого помещения управляющее устройство состоит из GSM модуля и регуляторов температуры. Функциональная схема управляющего устройства представлена на рисунке 1.9

Рисунок 1.9 - Функциональная схема управляющего устройства

Функциональная схема управляющего устройства представлена на рисунке 1.9

На этой схеме приняты следующие обозначения:

LiIon – Литий-ионный аккумулятор (предназначенный для режима SLEEP);

• X1 – Разъём для сетевого адаптера;

• X2 – Разъём для внутрисхемного программирования;

• X3 – Разъем для подключения датчика температуры отапливаемого помещения;

• Х4 – Разъем для подключения датчика температуры теплоносителя газового котла;

XP1 – Разъём для подключения к котлу;

XSIM1 – порт для SIM карты;

DD1 – микросхема, является зарядным устройством;

DD2 – Супервизор питания (контроль наличия напряжения);

DD3 – Стабилизатор фиксированного напряжения +3В (питание микроконтроллера DD5);

DD4 – Линейный стабилизатор напряжения (питание модуля GSM);

DD5 – Микроконтроллер (программируемый);

DD6 – GSM модуль;

DD7  – Микросхема (защита GSM модуля от превышения напряжений);

Управление микропроцессорной системой дистанционного управления температурой жилого помещения производится с помощью сотового телефона с возможностью работы в сетях сотовой связи GSM.

Один физический канал представляет собой канал передачи сообщений с полной скоростью. В этом случае канал связи занимает одно временное окно.

GSM-модуль представляет собой приемник радиоволн, в который установлена сим-карта любого оператора сотовой связи. Получаемую информацию GSM-модуль обрабатывает с помощью специального контроллера. Кроме этого, в нем есть база телефонных номеров пользователей, имеющих право входить на закрытую территорию. В момент звонка контроллер сравнивает входящий номер с записанной информацией, и если абонент находится в списке, отдает команду на приведение в действие привода.

В данной системе GSM-модуль позволяет:

• -    получать информацию о температуре;

• -    изменять температуру;

• -    включать и выключать газовый котел

• -    эффективно использовать затрачиваемые ресурсы

Устройство управления предназначено для дистанционного контроля и управления системой отопления с помощью сотового телефона.

С помощью СМС-сообщений система информирует о температуре в помещении и температуре теплоносителя в системе отопления. При выходе температуры за границы заданного диапазона происходит отправка СМС-сообщений на сотовые телефоны, номера которых предварительно занесены в память контроллера.