Горелка Monarch Weishaupt L7Z с термопреобразователем MAX6675 и датчиком огня

Состав системы
Как работает
Кнопки управления
Индикация LCD
Подключение
Что нужно для проекта
Возможные проблемы
Скетч

Данная система предназначена для аварийного управления горелкой котельной установки типа Monarch. Если конкретно, то контроллер управляет вентилятором котла, электродами зажигания и клапанами подачи топлива. В данном варианте системы неисправны температурный контроллер, сервопривод горелки котла и автомат горения (автомат нужно отсоединить). Добавлена защита по обрыву пламени. Если заслонка горелки не работает, сразу установите ее на открытие.

Система управления котельной горелкой

Что может данная система управления. Осуществлять процесс запуска котла (продувка топки, открытие клапанов подачи топлива и поджиг искры) по заданному алгоритму и времени, а также остановку. Запуск и остановка происходят по уставкам минимальной и максимальной температуры, информация о которой поступает в PLC от преобразователя MAX6675 для термопары типа К. На LCD-дисплей выводится информация о всех событиях. Все необходимые параметры можно настраивать и записывать в память Arduino. В системе имеется сигнализация по минимальной и максимальной температуре. В систему добавлен датчик огня, который при обрыве пламени подаст сигнал в контроллер. Автоматика остановит горелку и подаст питание на реле сигнализации.

СОСТАВ СИСТЕМЫ

PLC Arduino UNO с шилдом Sensor Shield v 5.0 (питание 7-12 В постоянного тока), LCD-дисплей с шиной I2C, DC-DC конвертер для питания реле и дисплея, 3 реле управления продувкой, поджигом искры и подачей топлива, 1 реле сигнализации, кнопочный пост с 4-мя кнопками и один температурный преобразователь. Контакторы электродвигателя вентилятора, электродов искры, топливных клапанов, а также термопара типа К используются штатные. Также есть датчик освещенности с цифровым выходом.

Обратите внимание, на сайте есть страничка, как сделать преобразователь для термопары типа К самостоятельно. Хотя я рекомендую использовать MAX6675.

Сразу после подачи питания на Arduino котел будет находиться в отключенном состоянии. Для включения автоматики нажмите кнопку ON/OFF - PLC перейдет в режим ожидания : контроллер считает температуру с термодатчика, и если она окажется ниже заданной, подаст питание на контактор электродвигателя вентилятора котла, продует топку в течении определенного времени, зажжет искру и откроет подачу топлива. По прошествии заданного времени погасит искру. После того, как температура в котле поднимется выше заданной, контроллер снимет питание с вентилятора и электромагнитных клапанов подачи топлива (котел останавится).

Если температура в котле упадет ниже минимальной или поднимется выше максимальной, система выведет букву "A" на дисплей (alarm) и подаст питание на реле сигнализации. Если в процессе работы котла происходит обрыв пламени, датчик освещенности подаст сигнал в контроллер. Автоматика остановит горелку и подаст питание на реле сигнализации.

Управлять системой можно с помощью четырех кнопок : ON/OFF, НАСТРОЙКИ, ВВЕРХ и ВНИЗ. Рассмотрим их функции подробно :

Кнопка ON/OFF

Включает или выключает автоматическую работу котла. При этом работа с настройками остается доступной. Обратите внимание, во время запуска котла (продувки и поджига) эта кнопка деактивируется. Если нужно срочно остановить котел, нажмите RESET на Arduino или обесточьте систему.

Кнопка НАСТРОЙКИ

Если вы нажмете кнопку НАСТРОЙКИ, то попадете в меню настроек контроллера. Нажимая эту кнопку, вы будете циклично переходить по пунктам меню. После последнего пункта вы снова попадете в основной экран. Изменение параметров осуществляется кнопками ВВЕРХ и ВНИЗ. Все цифровые параметры имеют верхнюю и нижнюю границы, за которые вы выйти не сможете. Изменение параметров сразу принимается системой, подтверждение не нужно. Обратите внимание, верхнюю и нижнюю границы, а также значение по умолчанию вы можете сами изменять в скетче. Во время процесса запуска котла изменить параметры нельзя.

Пройдемся по пунктам меню Настройки.

• 1 MinTemp XXºC (minimum temperature) : температура включения котла в ºC. Значение по умолчанию 29ºC. Нижняя граница 0ºC, верхняя 980ºC.
• 2 MaxTemp XXºC (maximum temperature) : температура отключения котла в ºC. Значение по умолчанию 33ºC. Нижняя граница 0ºC, верхняя 999ºC.
• 3 AlarMin XXºC (alarm minimum temperature) : точка включения сигнализации по низкой температуре в ºC. Значение по умолчанию 28ºC. Нижняя граница 0ºC, верхняя 990ºC.
• 4 AlarMax XXºC (alarm maximum temperature) : точка включения сигнализации по высокой температуре в ºC. Значение по умолчанию 40ºC. Нижняя граница 0ºC, верхняя 999ºC.
• 5 AlarmDiff XºC (alarm differential temperature) : дифференциал сигнализации в ºC. Значение по умолчанию 0ºC. Нижняя граница 0ºC, верхняя 990ºC.
• 6 TempCor XºC (temperature correction) : поправка температуры в ºC. Значение по умолчанию 0ºC. Нижняя граница -100ºC, верхняя +100ºC. Эта поправка прибавится к замеру температуры. Если поправка отличается от нуля, в нижней LCD строчке появится восклицательный знак.
• 7 Blow Time XX s : время продувки топки в сек. Значение по умолчанию 30 сек. Нижняя граница 5 сек., верхняя 99 сек.
• 8 Igni Time X s (ignition time) : продолжительность подачи искры в сек. Значение по умолчанию 3 сек. Нижняя граница 1 сек., верхняя 5 сек.
• 9 FlameTime X s (flame waiting time) : время ожидания при обрыве пламени в сек. до сработки сигнализации. Значение по умолчанию 3 сек. Нижняя граница 1 сек., верхняя 5 сек.
• 10 Alarm ON/OFF : включение или выключение сигнализации по низкой и высокой температуре. При отключении сигнализации реле сигнализации срабатывать не будет, но на экране все равно появится буква "A".
• 11 AlarFlame ON/OFF : включение или выключение сигнализации по обрыву пламени. При отключении сигнализации реле сигнализации срабатывать не будет, но на экране все равно появится буква "F".
• 12 ReadSet. (UP) : чтение настроек из энергонезависимой памяти Arduino. При нажатии кнопки ВВЕРХ настройки из памяти PLC перейдут в оперативную.
• 13 SaveSet. (UP) : запись настроек в энергонезависимую память Arduino. При нажатии кнопки ВВЕРХ текущие параметры запишутся в постоянную память PLC. При перезагрузке контроллера (выключение - включение) именно эти настройки загрузятся в программу.
• 14 Default (UP) : загрузка значений по умолчанию. При нажатии кнопки ВВЕРХ параметры, определенные в начале скетча, загрузятся в оперативную память PLC (в текущие настройки). Эта функция может быть полезна, когда вы запутались в регулировках и хотите все вернуть в исходное положение. Но есть и еще одна причина ее использования. Если вы на одну и ту же плату Arduino постоянно записываете скетчи разных проектов, возможна ситуация, когда параметры одного проекта запишутся в настройки другого. Конечно, это можно исправить, но представьте, что в параметре, где должно быть, например, число 10, стоит 32000. Вручную кнопками ВВЕРХ или ВНИЗ корректировать это очень долго, проще сбросить настройки к заводским, а уже затем их подправить.

Кнопки ВВЕРХ-ВНИЗ

В настройках этими кнопками меняются параметры. При обрыве пламени и отработке сигнализации удерживая кнопку ВВЕРХ (около 5 секунд) можно сбросить аварию, а удерживая кнопку ВНИЗ (около 5 секунд) - отключить сигнализацию.

Верхняя строчка :

"Boiler OFF" - автоматическая работа котла отключена

"Boiler Stop" - котел остановлен

"Blowing XX sec" - продувка топки

"Igntion..." - поджиг искры и открытие топливных клапанов

"Boiler Running" - котел работает

Нижняя строчка :

в нижней строчки отображается текущая температуру в котле. Также здесь могут появиться символы "A" - сработала сигнализация по температуре, "F" - сработала сигнализация по обрыву пламени, "!" - введена коррекция температуры. В режиме настроек здесь выводятся пункты меню настроек.

При отработке сенсора пламени в верхней строчке появится надпись "Flame Waiting..." (ожидание пламени) в течении установленного в настройках времени. Если за это время горение не восстановится, то горелка будет остановлена, а на LCD появятся надписи : сначала "No Flame...", а затем "UP - Reset" и "DOWN - Sens. OFF" чередуясь с "Flame Trouble, Hold Button". Соответственно, нажав и удерживая кнопку ВВЕРХ, вы снимите аварию, а кнопку ВНИЗ - отключите сенсор вовсе.

Здесь приведено соединение всех элементов системы управления, Arduino (через шилд) и самой горелки. В виде схемы подключение представлено ниже.

Плата Arduino и Sensor-shield

• питание Arduino : от адаптера 7-12VDC (2A)
• питание шилда (перемычка убрана) : от адаптера 7-12VDC (2A) через понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А)
• LCD-дисплей 1602 + модуль I2C : питание от шилда (подсоединяем GND и VCC к любым свободным пинам G и V цифровых входов), SDA (I2C) - A4 (шилд), SCL (I2C) - A5 (шилд)
• реле контактора электродвигателя вентилятора : сигнал от Arduino - цифровой пин 9, питание от шилда (подсоединяем GND и VCC реле к пинам G и V пина 9)
• реле контактора электромагнитных клапанов подачи топлива : сигнал от Arduino - цифровой пин 10, питание от шилда (подсоединяем GND и VCC реле к пинам G и V пина 10)
• реле контактора трансформатора искры : сигнал от Arduino - цифровой пин 11, питание от шилда (подсоединяем GND и VCC реле к пинам G и V пина 11)
• реле сигнализации по температуре : сигнал от Arduino - цифровой пин 8, питание от шилда (подсоединяем GND и VCC реле к пинам G и V пина 8). Контакты реле вы можете подключить к общесудовой сигнализации или сделать местную
• реле сигнализации по обрыву пламени : сигнал от Arduino - цифровой пин 12, питание от шилда (подсоединяем GND и VCC реле к пинам G и V пина 12). Контакты реле вы можете подключить к общесудовой сигнализации или сделать местную
• сигнал от кнопки ON/OFF : вход в Arduino - цифровой пин 13. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10кОм
• сигнал от кнопки НАСТРОЙКИ : вход в Arduino - цифровой пин 7. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10кОм
• сигнал от кнопки ВВЕРХ : вход в Arduino - цифровой пин 6. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10кОм
• сигнал от кнопки ВНИЗ : вход в Arduino - цифровой пин 5. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10кОм
• сигнал от датчика пламени : пин DO датчика к цифровому пину 1 на Arduino, пины VCC и GND датчика к пинам V и G пина 1
• сигнал от термопреобразователя MAX6675 к Arduino : SCK - цифровой пин 2, CS - цифровой пин 3, SO - цифровой пин 4. Питание к любым свободным пинам G и V цифровых входов
• входы от термопары типа К - к клеммам + и - на термопреобразователе MAX6675

Котел (распределительный щит)

• реле контактора электродвигателя вентилятора : COM - источник питания 220 В переменного тока, NO - клемма A1 контактора электродвигателя
• реле контактора электромагнитных клапанов подачи топлива : COM - источник питания 220 В переменного тока, NO - клемма A1 контактора клапанов
• реле контактора трансформатора искры : COM - источник питания 220 В переменного тока, NO - клемма A1 контактора трансформатора

Минусовые или нулевые провода катушек можно оставить штатные. Внимание! Если катушки контакторов питаются током других параметров, переделайте схему под них. Обратите внимание, хотя реле для проектов Arduino обычно и рассчитаны на 10А 220В, лучше напрямую к клапанам и трансформатору искры не подключать, а в качестве "посредника" использовать контакторы.

Схема подключения горелки

• PLC Arduino UNO (datasheet) - 1 шт
• Sensor Shield v 5.0 (datasheet) - 1 шт
• понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А) (datasheet) - 1 шт
• LCD-дисплей 1602 (datasheet) + модуль I2C - 1 шт
• датчик пламени с цифровым выходом - 1 шт
• термопреобразователь MAX6675 (datasheets) - 1 шт
• реле одноканальное (катушка 5VDC) (datasheet) - 5 шт
• клеммник на 3 провода под пайку в макетную плату - 1 шт
• кнопка тактовая с колпачком (datasheet) - 4 шт
• резистор 10 кОм (0,25 Вт) - 4 шт
• макетная плата под пайку 35х70 - 1 шт (для монтажа кнопок)
• макетная плата под пайку 20х35 - 1 шт (для монтажа клеммницы)
• стойка мама-мама М3х15 - 8 шт (для монтажа LCD-дисплея и самодельного термопреобразователя)
• гайка М3 - 50 шт и более в зависимости от способа крепления вышеуказанных элементов
• болт М3х15, М3х10 - 20 шт и более
• провод Dupont мама-мама или папа-мама (20 см) - 30 шт и более в зависимости от типа пинов соединяемых элементов
• провод типа AWG - 50 см (соединение штекер - DC-DC преобразователь - Sensor Shield)
• штыревой соединитель 40pin - 1 шт
• штекер питания DC 2.1 мм с клеммной колодкой папа и мама - 1 пара (для подключения шилда)
• кусок оргстекла или т.п. - 20х30 см (для монтажа всех элементов)
• болт М6х15 и гайка - 4 шт (ножки оргстекла)

Главная проблема, возникшая при полевых испытаниях, большая чувствительность Arduino к электромагнитным полям (плата зависает). Это явление возникает при коммутации через реле токов переменного напряжения 220 В и более. В этом случае вынесите реле К1, К2 и К3 на расстояние не менее полуметра от платы.

Ниже представлен скетч системы управления. В этом окне он неудобочитаем, поэтому скачать его в формате ino вы можете по этой ссылке.

Для работы этого скетча вам понадобятся дополнительные библиотеки :

• EEPROM.h - библиотека работы с памятью (она нужна для чтения и записи наших настроек в энергонезависимую память Arduino). Это стандартная библиотека, она входит в комплект среды программирования Arduino IDE.
• Wire.h - библиотека для работы с протоколом I2C. Это тоже стандартная библиотека, ее устанавливать не нужно.
• LiquidCrystal_I2C.h - библиотека для работы с LCD по протоколу I2C. Скачать.
• max6675.h - библиотека работы с преобразователем MAX6675 для термопар типа К. Скачать.

Если есть возможность, проверьте эти библиотеки на наличие обновлений.