Разработка узла управления для автоматизированной системы прочистки мусоропроводов

Шкаф механизма прочистки представляет собой сварной короб, запираемый герметизированной дверцей с замком. В шкафу установлены механизмы прочистки, промывки, дезинфекции и пожаротушения, а также узел управления.

Узел прочистки включает в себя щетку, имеющую не менее 3 щеточных дисков, для очистки наслоений внутренней поверхности ствола и груз для обеспечения опускания щетки. Масса узла прочистки обеспечивает его гарантированное опускание в стволе и составляет 30кг. Щетка крепится на тяговом тросе.

Привод узла прочистки, состоящий из лебедки, направляющих роликов троса, датчика натяжения троса (ДНТ), датчика конечного положения щетки (КД) и троса, предназначен для подъема и опускания щетки по всей высоте ствола мусоропровода. Лебедка вращается только в одном направлении, и щетка достигает своего крайнего нижнего положения при полном разматывании троса. Обратное движение щетки осуществляется путем наматывания троса при вращении электролебедки в прежнем направлении. При достижении верхнего положения срабатывает датчик конечного положения щетки. В случае застревания щетки в стволе или ее обрыва срабатывает датчик натяжения троса.

Узел подачи воды состоит из бачка с дезинфицирующей жидкостью, крана подачи дезраствора, пожарного клапана,  кольцевого душа и крана подачи воды. Он предназначен для подачи воды и дезраствора в ствол мусоропровода. Узел подключается к сетям водоснабжения здания и обеспечивает подачу воды под давлением в верхней части ствола на его внутренние стенки путем орошения. Вода нужна как для системы промывки и дезинфекции, так и для системы пожаротушения.

В нижней части шкафа установлена автоматика пожаротушения, содержащая датчик температуры (пожарный датчик (ПД)) и, встроенный в трубопровод подачи воды, пожарный клапан с электрическим приводом. В случае возникновении горения в стволе мусоропровода и, как следствие, повышении температуры до 50ºС, клапан автоматически открывается и вода по гибкому шлангу, минуя кран подачи воды, подается в ствол. При снижении температуры клапан перекрывает подачу воды.

Устройство управления - микроконтроллер, который отвечает за работу привода узла прочистки.

Управление автоматизированной системой прочистки мусоропровода осуществляется при помощи кнопок «Пуск» и «Стоп», автомата включения и отключения питания. Также имеются светодиоды, сигнализирующие о состоянии системы. Все эти элементы располагаются на передней панели щита управления. На передней панели также имеются краны подачи воды и дезраствора.

 

2. Разработка и описание структурной схемы узла управления для автоматизированной системы прочистки мусоропровода

Структурные схемы поясняют принципы построения систем управления и отображают связи между элементами управления, направления информационных потоков и т.п. Структурные схемы просты в прочтении и дополнительных пояснений не требуют. Структурная схема управления и контроля является одним из основных документов входящим в комплект рабочих чертежей, которые необходимы монтажникам и наладчикам.

Отобразим на структурной схеме микропроцессорной системы управления основные компоненты и связи между ними, а также дадим описание элементов и их назначение.

Структурная схема узла управления для автоматизированной системы прочистки мусоропровода показана на рис 2.2.

Рассмотрим назначение элементов структурной схемы.

Микроконтроллер

Ядро системы – выработка управляющих воздействий в зависимости от: состояния датчиков, электродвигателя, каких-либо внешних воздействий. Контроллер должен надежно работать по заданным алгоритмам, обеспечивая стабильную и эффективную работу подключенных к нему устройств.

Опторазвязка

Развязка по питанию датчиков и контроллера (выполнена с применением  оптотранзисторов). Такое решение обеспечивает защиту контроллера от помех и наводок, возникающих в длинных линиях, идущих к датчикам. Помехи возникают в незащищенных экраном проводах вследствие их прокладки вблизи силовых проводов, во время пуска, остановки мощных агрегатов.

Усилитель сигнала (блок реле).

Осуществляет усиление сигнала для управления мощной нагрузкой и защиты выводов микроконтроллера от различного рода помех.

Кнопка «Пуск»

Включает электродвигатель привода.

Кнопка «Стоп»

Останавливает работу элетродвигателя привода.

Электродвигатель привода

Электролебедка – запускается и прекращает свою работу соответственно после нажатия кнопки «Пуск» и «Стоп». После запуска лебедка начинает вращаться в направлении, противоположном направлению вращения перед ее остановкой.

Концевой датчик

Сухой контакт - оповещает микроконтроллер о том, что щетка механизма прочистки достигла верхнего положения. По сигналу с этого датчика (замыкание контакта), микроконтроллер отключает питание электродвигателя привода, а на передней панели загорается лампочка Щетка вверху.

 

 

Рис 2.2. Структурная схема узла управления

 

 

 

Датчик натяжения троса

Сухой контакт - срабатывает в случае застревания щетки или ее обрыве. По сигналу с этого датчика (замыкание контакта), микроконтроллер отключает питание электродвигателя привода, а на передней панели загорается лампочка Трос.

Пожарный датчик

Датчик температуры. Измеряет температуру в стволе мусоропровода. При повышении температуры в стволе мусоропровода свыше 50ºС, открывает пожарный клапан. При этом, в случае работы системы прочистки в момент возгорания, автоматически отключается питание электродвигателя привода. На передней панели загорается лампочка Пожар. После падения температуры ниже 46ºС, пожарный клапан закрывается.

Пожарный клапан

Электромагнитный клапан, предназначенный для подачи воды в ствол мусоропровода в случае пожара в системе мусороудаления.

Составленная структурная схема отражает основные принципы построения узла управления автоматизированной системы прочистки мусоропровода. Указаны составляющие системы и их взаимосвязи. В основе приведенной структурной схемы возможна разработка и реализация принципиальной схемы узла управления.

 

3. Разработка и описание принципиальной электрической схемы узла управления для автоматизированной системы прочистки мусоропровода

Основные направления разработки схем:

1. Минимизация размеров печатной платы;

2. Использование элементов с DIP-корпусом;

3. Простота и понятность схемы;

4. Доступность элементов;

5. Высокая надежность элементов;

6. Низкая стоимость элементов.

Полная принципиальная схема узла управления для автоматизированной системы прочистки мусоропровода приведена в приложении 2.

Описание узлов схемы приведено ниже.

 

1. Микроконтроллер

При выборе микроконтроллера исходили из следующих условий:

• достаточное количество портов ввода/вывода (6);

• наличие интерфейса для внутрисхемного программирования.

Кроме того, МК должен был соответствовать общим требованиям: DIP-корпус, доступность, надежность и низкая стоимость. Выбор осуществлялся из МК семейств MSP, PIC и AVR. Микросхема ATtiny13 была выбрана из следующих соображений:

• опыт работы с МК семейства AVR (наличие технической документации, средств программирования - контроллеры ATmega16 и ATmega128 использовались ранее в разработках);

• качество и надежность, проверенные временем;

• низкая стоимость;

• доступность.

Общее описание:

ATtiny13 - низкопотребляющий 8 битный  КМОП микроконтроллер с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATtiny13 достигает производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц, что позволяет разработчику  оптимизировать отношение потребления  к производительности.

AVR ядро объединяет богатую  систему команд и 32 рабочих регистра  общего назначения. Все 32 регистра  непосредственно связаны с арифметико-логическим  устройством (АЛУ), что позволяет  получить доступ к двум независимым  регистрам при выполнении одной  команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.

ATtiny13 имеет следующие  характеристики:

• 1 КБ внутрисистемно программируемой Flash память программы;
• 64 байтную EEPROM память данных;
• 64 байтное SRAM (статическое ОЗУ);
• 6 линий ввода - вывода общего применения;
• 32 рабочих регистра общего назначения;
• 8 битный таймер/счетчик со схемой сравнения;
• внутренние и внешние источники прерывания;
• 4 канальный 10 битный АЦП;
• программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором;
• три программно инициализируемых режима пониженного потребления. В режиме Idle останавливается ядро, но ОЗУ, таймер/счетчик, АЦП, аналоговый компаратор и система прерываний продолжают функционировать. В режиме Power-down регистры сохраняют свое значение, но генератор останавливается, блокируя все функции прибора до следующего прерывания или аппаратного сброса. В режиме ADC Noise Reduction останавливается вычислительное ядро и все модули ввода-вывода за исключением АЦП, что позволяет минимизировать шумы при выполнении преобразования.

Прибор изготовлен по высокоплотной энергонезависимой технологии изготовления памяти компании Atmel. Встроенная ISP Flash позволяет перепрограммировать память программы в системе через последовательный SPI интерфейс программой-загрузчиком, выполняемой в AVR ядре, или обычным программатором энергонезависимой памяти.

ATtiny13 поддерживается различными  программными средствами и интегрированными  средствами разработки, такими как  компиляторы C, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и ознакомительные наборы.

Расположение выводов микроконтроллера ATtiny13 показано на рис.2.3.

Рис. 2.3. Расположение выводов ATtiny13

2. Датчики и кнопки

Схема подключения датчиков и кнопок к микроконтроллеру показана на рис.2.4.

Рис 2.4. Схема подключения датчиков и кнопок

к микроконтроллеру

Резисторы 2,4к выбраны из условия протекания тока через оптотранзистор 5мА (по документации).

Оптотранзистор LTV817A был выбран не только исходя из низкой стоимости элемента – данный оптотранзистор использовался в предыдущих разработках и зарекомендовал себя как надежный.

Кнопка «Стоп» подключена к выводу Reset. При ее нажатии происходит сброс микроконтроллера.

 

2.3.3. Электродвигатель  привода

Электродвигатель управляется по схеме рис.2.5.

Рис. 2.5. Схема управления электродвигателя

 микроконтроллером

 

Усилительный каскад с общим эмиттером, работающий в ключевом режиме – простое и надежное решение. Диод 1N4007 , включенный параллельно реле, защищает схему от перенапряжений во время выключения реле. Транзистор КТ503Е (NPN) открывается высоким уровнем напряжения. Токоограничивающий резистор в цепи базы – 2.4к. Резистор 51к предназначен для защиты от непреднамеренного открытия транзистора.

Транзистор КТ503Е был выбран из условий доступности и малой стоимости.

Предусмотрена защита электродвигателя при ошибке в работе микроконтроллера, в случае если будет подано напряжение на оба транзистора. Используются реле TRIL-12VDC-SD-2CM-R (5A) с замыкающим и размыкающим контактами.

Микроконтроллер управляет конденсаторным электродвигателем Sturm ЕН7240. Мощность двигателя 0.8кВт. Ток питания 230/50 В/Гц.

 

2.3.4. Блок питания автоматики

Напряжение на контроллер (+5В) и пожарный датчик (+12В) подается от блока питания. Схема блока питания рис.2.6.

Рис. 2.6. Схема блока питания

 

Блок питания разработан для получения напряжений:

• нестабилизированное постоянное +12В – для схемы сканирования датчиков, питания реле, питания пожарного датчика;
• стабилизированное постоянное +5В – для микроконтроллера.

В данной главе дипломного проекта были решены следующие задачи:

• разработана функциональная схема автоматизированной системы прочистки мусоропровода, а также описаны узлы системы;
• разработана структурная схема узла управления для автоматизированной системы прочистки мусоропровода, а также описаны элементы, входящие в состав узла управления и связи между ними;
• была разработана принципиальная электрическая схема узла управления.

 

3. ПРОГРАММИРОВАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

 

В этой части дипломного проектирования предстоит выполнить следующие задачи:

• произвести настройку микроконтроллера;
• разработать алгоритм работы узла управления для автоматизированной системы прочистки мусоропровода.