микроконтроллерное устройство автоматического управления горелкой

Формула изобретения

Микроконтроллерное устройство автоматического управления горелкой, содержащее микроконтроллер, блок задания режима работы нагрузок, блок управления нагрузками, отличающееся тем, что оно содержит блок питания и синхронизации путем соединения "нуля" и фазы источника с первым и вторым входами данного блока, выход которого соединен по второй линии третьего порта с микроконтроллером, соединенным по третьей линии третьего порта с входом блока индикации, выполненного в виде четырех индикаторов, запитанных через резистор, и связанный через нулевую, первую и вторую линии второго порта с первым, вторым и третьим выходами блока задания режима работы нагрузок, который выполнен в виде трех кнопок, запитанных через резистор, причем выходы кнопок являются выходами блока, а через четвертую и пятую линии третьего порта связанный с первым и вторым выходами блока усиления и преобразования сигналов датчиков, первый вход которого соединен с выходом датчика расхода топлива блока датчиков, а выход датчика расхода воздуха - со вторым входом блока усиления и преобразования сигналов датчиков, при этом по нулевой, первой-седьмой линиям нулевого порта микроконтроллер соединен соответственно с первым-восьмым входами блока управления нагрузками, первый и второй выходы которого связаны через нулевую и первую линии первого порта с микроконтроллером, соединенным через третий его порт с блоком связи с ЭВМ верхнего уровня, причем первая линия является соединением выхода микроконтроллера с входом этого блока, а нулевой линией микроконтроллер связан своим входом с первым выходом блока связи с ЭВМ верхнего уровня, второй выход которого связан с ЭВМ верхнего уровня, при этом блок питания и синхронизации, кроме прочего, служит для питания постоянным напряжением микроконтроллера и остальных элементов устройства, а микроконтроллер, блок управления нагрузками, блок задания режимов работы нагрузок предназначены, кроме прочего, для реализации широтно-импульсного модулированного (ШИМ) управления.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к области энергетики, в частности к управлению горелками в котельных, печах и т.д.

Известно устройство для управления горелкой, содержащее топливную горелку (форсунку), орган управления, производящий запрос на включение горелки, датчик пламени, генерирующий сигнал при наличии пламени в оснащенной монитором камере сгорания, и одно или несколько устройств для управления воспламенением и/или потоком топлива [1]. Устройство управления горелкой содержит блокирующее устройство для отключения устройства управления горелкой, управляющее устройство для включения устройств управления воспламенением и/или топливом и схему синхронизации, обеспечивающую четыре последовательных и частично перекрывающих друг друга интервала времени, точно соотнося друг с другом, а именно время продувки, время пробного воспламенения, время пробной стабилизации и время основного воспламенения топлива. Недостатком этого устройства является отсутствие возможности управления отдельно двигателем воздуходувки и электронным насосом в зависимости от количества теплоты, генерируемого горелкой, т.е. не предусмотрено получение режима работы горелки с помощью двигателя воздуходувки и электронного насоса.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для управления горелкой [2], которое содержит блок задания режима работы нагрузок, производящий задание на частоту вращения двигателя воздуходувки, а также на частоту вращения электронного насоса подачи топлива в горелку; блок управления частотой вращения нагрузок, который, например, может быть выполнен в виде микропроцессора или микроконтроллера, производящий формирование импульсных сигналов на двигатель воздуходувки и электронный насос; блок формирования сигнала возбуждения, производящий усиление импульсных сигналов на двигатель воздуходувки и электронный насос; блок управления нагрузками, производящий изменение частоты вращения двигателя воздуходувки и электронного насоса подачи топлива в горелку. Кроме этого, устройство содержит двигатели воздуходувки и электронного насоса, выполненные как многополюсные двигатели.

Недостаток известного устройства заключается в том, что они не обеспечивают следующих важных задач управления:

- контроля за состоянием работоспособности нагрузок, что может привести к горению горелки при несоблюдении требований безопасности функционирования;

- возможности дистанционного управления горелкой и группового управления горелками, что объясняется отсутствием в прототипе блока связи с ЭВМ верхнего уровня;

- возможности плавного управления подачей топлива и воздуха, что исключает плавность настройки расходов и обеспечения рационального соотношения воздух/топливо в виду того, что в прототипе происходит дискретное задание режимов, определяющих частоту вращения электронного насоса и двигателя воздуходувки в зависимости от режима горения, в результате чего невозможно изменять частоту вращения плавно.

Изобретение направлено на повышение эффективности работы устройства управления горелкой за счет плавного изменения частоты вращения нагрузок; улучшение качества управления горелкой, включая дистанционное управление, а также на расширение функциональных возможностей системы управления за счет введения элементов для применения устройства в различных объектах автоматизации и создания на его базе распределенных систем.

Это достигается тем, что в микроконтроллерное устройство автоматического управления горелкой, содержащее микроконтроллер, блок задания режима работы нагрузок, блок управления нагрузками, согласно предлагаемому решению введены блок питания и синхронизации, путем соединения нуля и фазы источника с первым и вторым входами данного блока, выход которого соединен по второй линии третьего порта с микроконтроллером, соединенным по третьей линии третьего порта с входом блока индикации, выполненного в виде четырех индикаторов, запитанных через резистор, и связанный через нулевую, первую и вторую линии второго порта с первым, вторым и третьим выходами блока задания режима работы нагрузок, который выполнен в виде трех кнопок, запитанных через резистор, причем выходы кнопок являются выходами блока, а через четвертую и пятую линии третьего порта связанный с первым и вторым выходами блока усиления и преобразования сигналов датчика, первый вход которого соединен с выходом датчика расхода топлива блока датчиков, а выход датчика расхода воздуха - со вторым входом блока усиления и преобразования сигналов датчиков. По нулевой, первой, второй, третьей, четвертой, пятой, шестой, седьмой линии нулевого порта микроконтроллер соединен соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым, восьмым входами блока управления нагрузками, первый и второй выходы которого связаны через нулевую и первую линии первого порта с микроконтроллером, соединенным через третий его порт с блоком связи с ЭВМ верхнего уровня, причем первая линия является соединением выхода микроконтроллера с входом этого блока, а нулевой линией микроконтроллер связан своим входом с первым выходом блока связи с ЭВМ верхнего уровня, второй выход которого связан с ЭВМ верхнего уровня, при этом блок питания и синхронизации, кроме прочего, служит для питания постоянным напряжением микроконтроллера и остальных элементов устройства. Микроконтроллер, блок управления нагрузками, блок задания режимов работы нагрузок предназначены, кроме прочего, для реализации ШИМ-управления.

На фиг.1 изображено микроконтроллерное устройство автоматического управления горелкой, на фиг.2 изображена принципиальная схема блока управления нагрузками и блока питания и синхронизации.

Микроконтроллерное устройство автоматического управления горелкой содержит (фиг.1) блок задания режима работы нагрузок 1 (кнопки 11, 12, 13), микроконтроллер 2, блок датчиков 3 (датчик расхода топлива 9, датчик расхода воздуха 10), блок усиления и преобразования сигналов датчиков 4, блок управления нагрузками 5, блок индикации 6 (жидкокристальные индикаторы 15, 16, 17, 18), блок связи с ЭВМ верхнего уровня 7, блок питания и синхронизации 18, резисторы 14, 19.

Линии связи микроконтроллера 2 с периферийными устройствами обозначим как - РХ, У. Здесь РХ - признак порта микроконтроллера, где Х - цифра, указывающая на номер порта (например, P1 - первый порт микроконтроллера), а У - цифра, указывающая номер линии (разряда) порта (например, Р 3,1 - первая линия (первый разряд) третьего порта).

Блок задания режима работы нагрузок 1 предназначен для ввода задания по расходу топлива и коэффициентов избытка воздуха в микроконтроллер 2.

Блок датчиков 3 предназначен для получения информации о расходах воздуха и топлива.

Блок усиления и преобразования сигнала датчиков 4 осуществляет усиление сигналов датчиков и их преобразование в последовательность импульсов различной частоты в зависимости от уровня сигнала датчика.

Блок управления нагрузками 5 предназначен для осуществления плавного изменения расходов воздуха и топлива.

Блок индикации 6 осуществляет индикацию текущих и заданных расходов топлива и коэффициента избытка воздуха.

Блок связи с ЭВМ верхнего уровня 7 предназначен для получения и передачи информации от микроконтроллера 2 на ЭВМ верхнего уровня.

Блок питания и синхронизации 8 предназначен для синхронизации и получения питающих напряжений для элементов устройства.

Блок датчиков 3 состоит из датчика расхода топлива 9, установленного в трубопроводе подачи воздуха, и датчика расхода воздуха 10, установленного в трубопроводе подачи топлива.

Блок задания режима работы нагрузок 1 выполнен в виде трех кнопок 11, 12, 13, которые запитываются питающим напряжением от блока питания и синхронизации 8 через резистор 14, который предназначен для ограничения тока.

Блок индикации 6 выполнен на четырех жидкокристальных индикаторах 15, 16, 17, 18, которые запитываются питающим напряжением от блока питания и синхронизации 8 через резистор 19, предназначенный для ограничения тока.

Блок питания и синхронизации 8 состоит, например, из трансформатора 20, диодных мостов 21, 22, стабилизаторов напряжений 23, выходом которых являются питающие напряжения 24 для всех элементов схемы, диодов 25, 26, резисторов 27, 28, 29, транзистора 30.

Блок управления нагрузками 5 выполнен, например, в виде высоковольтных драйверов 31, 32, 33, 34, осуществляющих управление ключами в виде, например, полевых транзисторов 35-42, предназначенных для ШИМ-управления двигателями подачи воздуха и подачи топлива 43, 44 [3, 4]. Также данный блок включает в себя резисторы 45, 46 и компараторы 47, 48.

Устройство работает следующим образом. Микроконтроллер 2 обеспечивает возможность программного изменения режимов с использованием двух блоков: блока задания режима работы нагрузок 1 и блока индикации 6. С помощью блока задания режима работы нагрузок можно осуществить наращивание или снижение как расхода топлива, так и коэффициента избытка воздуха (расхода воздуха).

Так, при нажатии кнопки 11 в блоке индикации 6 начинает мигать индикатор 15, который сигнализирует заданный расход топлива в численном виде. При нажатии кнопки 13 происходит увеличение заданного расхода топлива в ячейке памяти микроконтроллера 2, что отображается на индикаторе 15. Аналогично при нажатии кнопки 12 происходит уменьшение заданного расхода топлива в памяти микроконтроллера 2, что также отображается на индикаторе 15. При повторном нажатии кнопки 11 индикатор 15 перестает мигать, но начинает мигать индикатор 17, сигнализирующий заданный коэффициент избытка воздуха в численном виде. Аналогично изменению задания на расход топлива происходит изменение заданного коэффициента избытка воздуха путем нажатия кнопок 12 или 13, изменение заданного коэффициента избытка топлива фиксируется в соответствующей ячейке памяти микроконтроллера 2, а также отображается на индикаторе 17. При нажатии кнопки 11 третий раз блок индикации 8 переходит в нормальный режим работы, при котором осуществляется индикация заданного расхода топлива на индикаторе 15, на индикаторе 16 выводится текущий расход топлива, аналогично индикация заданного коэффициента избытка воздуха происходит на индикаторе 17, а на индикаторе 18 выводится текущий коэффициента избытка воздуха. Блок индикации 6 связан с микроконтроллером 2 по линии связи Р 3,3, передающей сигнал в последовательном коде.

Датчики расхода топлива 9, воздуха 10 блока датчиков 3 производят измерение текущих расходов. Выходы датчиков соединены с соответствующими входами блока усиления и преобразования сигналов датчиков 4, где они преобразуются в последовательности импульсов различной частоты в зависимости от уровня входного сигнала. Частотный сигнал подается по линиям Р3,4, Р3,5, являющимся входами внутренних таймеров/счетчиков, в микроконтроллер 2, который по значению частоты импульсов определяет текущее значение расходов топлива и воздуха. Микроконтроллер 2 производит сравнение текущего расхода топлива с заданным и при наличии ошибки рассогласования увеличивает (или уменьшает) частоту вращения двигателя подачи топлива 43, путем изменения скважности импульсов ШИМ-управления. По значениям расхода воздуха и топлива микроконтроллер 2 производит вычисление текущего коэффициента избытка воздуха как отношения расхода воздуха к расходу топлива, если текущее значение отличается от заданного, то он увеличивает (или уменьшает) частоту вращения двигателя подачи топлива 44 путем изменения скважности импульсов ШИМ-управления. Изменение частоты вращения двигателя подачи топлива осуществляется микроконтроллером 2 по линиям связи Р 0,0, P 0,1, P 0,2, Р 0,3, а изменение частоты вращения двигателя подачи воздуха по линиям Р 0.4, Р 0.5, Р 0.6, Р 0.7 путем подачи по ним управляющих сигналов в блок управления нагрузками 5, в котором осуществляется ШИМ-управление частотой вращения нагрузок.

Связь с ЭВМ верхнего уровня осуществляется микроконтроллером 2 через последовательный интерфейс по линиям связи Р 3.0, Р 3.1 путем усиления и согласования сигналов по мощности в блоке связи с ЭВМ верхнего уровня 7. С ЭВМ верхнего уровня, при желании пользователя, возможно изменение задания расхода топлива и коэффициента избытка воздуха, кроме того, на нем могут создаваться файлы отчета о расходе топлива и коэффициенте избытка воздуха [5, 6, 7].

Питание всего устройства осуществляется от блока питания и синхронизации 8, который подает синхронизирующие импульсы на микроконтроллер 2 по линии связи Р 3.2. Постоянным напряжением источника запитываются микроконтроллер 2, а также другие элементы устройства: блок задания режима работы нагрузок 1, блок датчиков 3, блок усиления и преобразования сигналов датчиков 4, блок управления нагрузками 5, блок индикации 6, блок связи с ЭВМ верхнего уровня 7.

Принципиальная схема блока управления нагрузками и блока питания и синхронизации представлена на фиг.2. Питающее напряжение подается на первичную обмотку трансформатора 20, вторичная обмотка которого имеет среднюю точку и подключена к диодному мосту 22, выход которого соединен с входами стабилизаторов напряжений 23, которые осуществляют стабилизацию постоянных напряжений для питания всех элементов устройства, выходом стабилизаторов напряжений 23 является питающее напряжение для элементов устройства 24. Выход вторичной обмотки трансформатора 20 через диоды 25, 26, осуществляющие выпрямление напряжения, и через резистор 27, предназначенный для ограничения тока, соединен с транзистором 30, в эмиттере которого находится резистор 29, соединенный с нулевым проводом. На коллектор транзистора 30 подается питающее напряжение через резистор 28. На коллекторе транзистора 30 возникают стробирующие импульсы, сигнализирующие о том, что питающее напряжение меняет свой знак; эти импульсы считываются микроконтроллером 2 по линии прерывания Р3.2 и служат сигналами для переключения пар ключей при ШИМ-управлении.

Для организации возможности плавного изменения частоты вращения нагрузок предусмотрено ШИМ-управление двигателями подачи топлива и воздуха. Питающее напряжение подается на диодный мост 21, выход которого соединен с управляющими ключами 35, 36, 37, 38, выполненными, например, в виде мощных полевых транзисторов. Для включения соответствующей пары ключей предназначены, например, высоковольтные драйверы 31, 32, входы которых соединены с микроконтроллером 2 по линиям связи Р 0.0, Р 0.3 и P 0.l, P 0.2 соответственно. Высоковольтный драйвер 31 осуществляет управление ключами 35, 36, а драйвер 32 - ключами 37, 38. ШИМ-управление двигателем подачи топлива 43 осуществляется следующим образом. Микроконтроллер 2 получает по Р 3.2 сигнал о переходе питающего напряжения через нуль, одновременно с этим он осуществляет переключение управляющих ключей с пары 35, 38 на пару 36, 37. Данные переключения осуществляются микроконтроллером 2 посредством подачи управляющих сигналов на высоковольтные драйверы 31, 32, которые осуществляют коммутацию нужной пары ключей. При включении пары ключей 35, 38 протекает ток по цепи фаза, ключ 35, обмотка двигателя подачи топлива 43, ключ 38, нуль; при переключении пары ключей на 36, 37 протекает ток по цепи фаза, ключ 36, обмотка двигателя подачи топлива 43, ключ 37, нуль, но за счет изменения полярности питающего напряжения изменяется полярность тока. Модуляция осуществляется с частотой, заданной пользователем устройства, скважность импульсов подбирается микроконтроллером 2 автоматически в зависимости от заданного расхода и от сигнала датчика расхода. В устройстве предусмотрена защита от короткого замыкания обмотки двигателя подачи топлива. Резистор 45 выбирается таким образом, чтобы падение напряжения на нем в режиме короткого замыкания составляло порядка U_oп, которым запитывается компаратор 47, на котором происходит сравнение U_oп и напряжения, соответствующего текущему значению тока обмотки. Выход компаратора 47 соединен с микроконтроллером 2 по Р 1.0, если на выходе компаратора образуется логическая единица, что соответствует режиму короткого замыкания, микроконтроллер 2 отключает двигатель подачи топлива и вырабатывает сигнал о неработоспособности двигателя подачи топлива.

Осуществление плавного изменения частоты вращения двигателя подачи воздуха 44 осуществляется аналогично, на ключах 39, 40, 41, 42, высоковольтных драйверах 33, 34. Защита от короткого замыкания осуществляется на резисторе 46 и компараторе 48, выход которого соединен с микроконтроллером по Р 1.1. Для управления ключами 39-42 используются драйверы 33, 34, которые управляются микроконтроллером 2 по Р 0.4-Р 0.7 соответственно.

Использование предлагаемого микроконтроллерного устройства автоматического управления горелкой позволяет по сравнению с существующим прототипом повысить эффективность работы устройства и способа управления горелкой за счет плавного изменения частоты вращения нагрузок; улучшить качество управления горелкой, включая дистанционное управление, а также расширить функциональные возможности системы управления за счет введения элементов для применения устройства в различных объектах автоматизации и создания на его базе распределенных систем.

Список использованной литературы

1. Патент США 4243372, кл. 431-31, 1981.

2. Авторское свидетельство РФ 2032127, кл. F 23 N 5/00 (прототип).

3. Силовые полупроводниковые приборы. Пер. с англ. под ред. В.В.Токарева. Первое издание. Воронеж, 1995.

4. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями. - М.: Энергоиздат, 1982.

5. Сташин В. В., Урусов А.В., Малогонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. - М.: Энергоиздат, 1990.

6. Хвощ С.Т. Микропроцессоры и МикроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник /С.Т.Хвощ, Н.Н.Варлинский, Е.А.Попов; Под общ. ред. С.Т. Хвоща. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1987.

7. Бродин В.Б., Шагурин И.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. - М.: Издательство ЭКОМ, 1999.