Модернизация лабораторной установки управления температурой теплоносителя в печи сопротивления

Рассмотрен вопрос замены существующего устаревшего лабораторного оборудования более современным – микропроцессорным. Рассмотрены основные особенности программы, написанной для микроконтроллера. Приведена схема подключения регулятора к существующей печи, на базе которой выполнялись работы до проведения модернизации установки.

Ключевые слова: печь сопротивления, позиционное регулирование, программное регулирование, микроконтроллер, терморезистор.

Современные тенденции построения систем автоматического управления требуют внедрения в процесс обучения цифровых систем управления. В частности, на кафедре МАЭС проводятся лабораторные работы по исследованию позиционного и программного управления печью сопротивления [1-10]. Эти установки нуждаются в модернизации, которую было предложено построить на базе широко известного аппаратно-программного средства Arduino, а именно на базе платы Arduino Uno.

Arduino Uno [1] – это устройство на основе микроконтроллера ATmega328, работающего на тактовой частоте 16 МГц. Доступная память программ 32 кБайт. На плате имеется разъем USB (для питания, программирования и передачи данных), разъем питания и кнопка сброса. Для работы с внешними устройствами имеется 14 цифровых настраиваемых входов/выходов (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов) и 6 аналоговых входов.

Большим достоинством аппаратно-программного средства Arduino является их полностью открытая архитектура [2], что позволяет свободно работать с этой системой, во-первых, не привязываясь к конкретному производителю, во-вторых, возможность самостоятельного изготовления требующихся периферийных устройств, в-третьих, использовать бесплатную официальную среду разработки программ.

Для того чтобы применить плату Arduino Uno в составе системы управления ее нужно оснастить цепями измерения температуры. Это осуществляется при помощи терморезисторов, включенных по потенциометрической схеме с подключением к аналоговым входам. Таких цепочек выполнено три с целью дальнейшей модернизации выполняемых работ. Кроме датчиков, системе нужен исполнительный механизм, роль которого выполняет модуль KY-019. Он представляет собой электромагнитное реле с оптронной развязкой. Через реле включается нагреватель печи.

Для индикации и управления применен модуль LCD1602, в состав которого входит знакосинтезирующий ЖК-дисплей и 6 кнопок управления. В результате получаем схему, представленную на рис. 1. Она состоит из платы с микроконтроллером Arduino UNO R3, модуля LCD1602 (обозначенного «LCD + keyboard»), модуля KY-019 (обозначенного «Блок реле») и блока питания (обозначенного «БП»). Также на схеме показаны цепи подключения терморезисторов по схеме делителя напряжения (R1- R2, R3-R4, R5-R6). R1, R3, R5 – МЛТ-0,25 9,1 кОм; R2, R4, R6 – ММТ-4 10 кОм.

Подключение терморезисторов производится при помощи разъемов. Все оборудование смонтировано в пластмассовом корпусе, в котором имеются отверстия для кнопок, разъемов и индикатора. Разъемы Х1 – Х3 находятся на корпусе прибора, Х4 – разъем типа «сетевая вилка», Х5, Х6 – разъемы типа «сетевая розетка».

Схема установки показана на рис. 2. Здесь R2 – терморезистор, помещенный в корпус печи, нагреватель которой подключен к разъему Х6, а разъем Х4 соединяет всю установку с сетью.

Программа реализации позиционного регулирования имеет некоторые особенности.

1) Характеристика терморезистора (рис. 3) является нелинейной и поэтому представлена в программе работы микроконтроллера как кусочно-линейная аппроксимация.

2) Пересчет из напряжения на аналоговом входе в сопротивление производится по формуле R1 = (5/U-1)·R2 (при схеме включения, показанной на рис. 4, где Uп – напряжение питания, U – напряжение на выходе делителя).

3) Измерение температуры производится три раза в секунду, после чего показания усредняются и выводятся на ЖК-дисплей.

4) После запуска выполнения лабораторной работы на ЖК-дисплее начинает идти время выполнения работы.

5) После запуска выполнения лабораторной работы осуществляется передача данных по USB протоколу на компьютер каждые 5 с. Передаются данные: время выполнения работы (мин), температура (°С) и состояние реле (вкл./выкл.).

6) Регулирование осуществляется в системе реального двухпозиционного реле с заданием (по одному из 5 вариантов) максимальной Tmax и минимальной Tmin температурных уставок.

Программа реализации программного регулирования имеет следующие особенности:

1) Эта программа полностью базируется на программе позиционного регулирования.

2) Задается одна из 5 программных траекторий (записанных в памяти микроконтроллера), которая выдает температуру задания Тз а также задается зона отклонения dT для расчета и задания уставок Tmax и Tmin (Tmax = Tз + dT, Tmin = Tз – dT).

Вывод. На примере печи нагрева рассмотрен вопрос замены лабораторного оборудования более современным – микропроцессорным. В статье освещены основные особенности программы, написанной для микроконтроллера, управляющего регулятора осуществляющего управление печью. Приведена схема подключения контроллера к печи.

Библиографический список

1. http://arduino.ua/ru/hardware/Uno (дата обращения: 15.12.2014)

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino (дата обращения: 15.12.2014)

3. Галицков С.Я., Пышкин А.С., Фадеев А.С., Самохвалов О.В. О влиянии тепловой мощности и длины факела на прочностные и весовые характеристики керамзита // ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2014 [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-технической конференции, 9-11 сентября 2014 г., Самара / СГАСУ. 2014. С.101-104.

4. Назаров М.А., Фадеев А.С., Горин В.М., Гаршин В.И. Структура SCADA-системы вращающейся печи обжига керамзита // ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2014 [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-технической конференции, 9-11 сентября 2014 г., Самара / СГАСУ. 2014. С.104-107.

5. Самохвалов О.В., Галицков С.Я., Фадеев А.С. Анализ технологических ограничений для получения прочного керамзита // ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2014 [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-технической конференции, 9-11 сентября 2014 г., Самара / СГАСУ. 2014. С.156-159.

6. Галицков С.Я., Самохвалов О.В. Условия управления вращающейся печью, осуществляющей производство керамзита с заданной прочностью // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре [Электронный ресурс]: материалы 71-й юбилейной Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2013 года / СГАСУ. Самара, 2014. С.1009-1011.

7. Шломов С.В. Экспериментальные исследования динамики тепловыделения при вспучивании ячеисто-бетонной смеси // ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2014 [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-технической конференции, 9-11 сентября 2014 г., Самара // СГАСУ. 2014. С.176-179.

8. Масляницын А.П. Интегрированная система управления процессом производства керамических камней // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре [Электронный ресурс]: материалы 71-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2013 года / СГАСУ. – Самара, 2014. С.936-937/

9. Масляницын А.П., Фадеев А.С. Математическая модель процесса укладки бетона в форму как объекта управления // ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2014 [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-технической конференции, 9-11 сентября 2014 г., Самара / СГАСУ. 2014. С.134-138.

10. Дуданов И.В., Зубарев Д.А. Моделирование системы отопления помещения // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре [Электронный ресурс]: материалы 71-й юбилейной Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2013 года / СГАСУ. Самара, 2014. С.938-940.

Автор: Фадеев Александр Сергеевич. Самарский государственный архитектурно-строительный университет.