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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Steuerung des elektrischen Heizkessels. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Leistungsregler, Thermometer, Wärmestabilisatoren Die vorgeschlagene Mikrocontroller-Steuereinheit ist so konzipiert und hergestellt, dass sie die Standardsteuereinheit des Elektroheizkessels EVAN EPO-7,5/220 B ersetzt, die keinen ausreichenden Bedienkomfort bietet. Es kann auch zur Steuerung anderer elektrischer Heizgeräte verwendet werden. Nach dem Kauf und der Installation des Kessels EVAN EPO-7,5/220 B wurden Mängel an der Steuereinheit festgestellt, mit der er ausgestattet war. Die wichtigste davon ist das gleichzeitige Ein- und Ausschalten von drei im Kessel installierten Elektroheizungen. Die daraus resultierenden Stromstöße und Spannungsabfälle im Netz sind so groß, dass sie bei einigen darüber betriebenen elektronischen Geräten zu Fehlfunktionen führen. Es gab sogar Misserfolge. Darüber hinaus rumpelte im ganzen Haus ein leistungsstarker Schütz, der die Heizungen regelmäßig ein- und ausschaltete, um die eingestellte Temperatur aufrechtzuerhalten, und das an der Wand hängende Gerät, in dem es installiert war, „hüpfte“, bis es herunterfiel und zerbrach. Es wurde beschlossen, dieses Gerät nicht zu reparieren, sondern ein neues zu entwickeln und herzustellen, die Mängel nach Möglichkeit zu beseitigen und die ausgeführten Funktionen zu erweitern. Das neue Steuergerät wurde vierkanalig mit elektronischer Umschaltung ausgeführt. Drei Kanäle steuern die Heizungen zu unterschiedlichen Zeiten, wodurch Stromstöße aus dem Netzwerk deutlich reduziert werden. Das Schütz dient ausschließlich der Notabschaltung der Heizgeräte bei Überhitzung des Kessels. Der vierte Kanal steuert die Wasserpumpe der Heizungsanlage. Es gibt einen Modus zum schnellen Aufheizen des Kessels auf eine eingestellte Temperatur bei ausgeschalteter Pumpe und zum anschließenden Einschalten, um das Heizsystem mit heißem Wasser zu versorgen. Das neue System stabilisiert wie das alte die Wassertemperatur am Auslass des Kessels, es besteht jedoch die Möglichkeit, auf die Stabilisierung am Einlass umzuschalten. Wenn Sie einen Raumtemperatursensor an die Steuereinheit anschließen, geht das System automatisch in den Stabilisierungsmodus für diesen Parameter. Das Diagramm der neuen Steuereinheit zusammen mit Temperatursensoren und Aktoren (Heizungen und Wasserpumpe) ist in Abb. dargestellt. 1. Das Ein- und Ausschalten der Heizungsanlage erfolgt über den Schalter SA1, der das Leistungsmodul mit Netzspannung versorgt. Danach beginnen alle anderen Module der Steuereinheit zu arbeiten. Die Heizgeräte EK1-EK3 erhalten 220 V Spannung über das Schütz KM1, die Leistungsschalter SA3-SA5 und ein Modul von Triac-Schaltern, die durch im Mikrocontroller-Modul erzeugte Signale gesteuert werden. Schütztyp - NC1 -25. Bei normalem Betrieb des Kessels sind seine Kontakte geschlossen.
Der Steuerkreis des M2-Motors, der die Wasserpumpe antreibt, die die SA2-Maschine und einen der Kanäle des Triac-Moduls umfasst, unterscheidet sich nur dadurch, dass er nicht zum Öffnen durch das KM1-Schütz vorgesehen ist. Dies ist notwendig, damit im Falle einer Notabschaltung der Heizgeräte die Pumpe weiter läuft und so die Wasserzirkulation im Heizsystem und dessen beschleunigte Abkühlung gewährleistet. Die Kühlkörper der Triacs, die die Heizungen und die Pumpe schalten, werden von einem zweistufigen Computerlüfter M1 mit einer Standardgröße von 80x80x20 mm und einer Versorgungsspannung von 12 V angeblasen. An das Triac-Schaltmodul sind zweifarbige LEDs HL1-HL4 angeschlossen. Ihre roten Kristalle schalten sich ein, wenn Netzspannung an die Eingänge der entsprechenden Triac-Schalter angelegt wird, und grüne Kristalle schalten sich ein, wenn ihre Triacs geöffnet werden. Im letzteren Fall leuchtet die LED gelb und zeigt damit an, dass der Heizer bzw. die Pumpe mit Netzspannung versorgt wird. Die Dioden VD1-VD8 schützen LEDs vor Sperrspannung. Wassertemperatursensoren am Auslass des Kessels (BK1), an seinem Einlass (BK2) sowie die Lufttemperatur im beheizten Raum (BK3) sind über ein Stromversorgungs- und Intermodul-Verbindungsmodul mit dem Mikrocontroller-Modul verbunden. Filterteile werden an den Anschlüssen der Sensoren BK1 – BK3 (R1C1, R2C2, R3C3) montiert. Gemäß der Abbildung werden kurze Abschnitte von Standard-USB-Kabeln mit USB-A-Anschlusssteckern an die Pins 1 und 2 der Sensoren und freie Widerstandspins angelötet. Als Gehäuse für die Sensoren VK1 und VK2 wurden handelsübliche Kfz-Kühlmitteltemperatursensoren 19-3828 verwendet, aus denen sämtliche „Einbauten“ entfernt wurden. In die entstandenen Hohlräume werden die DS18B20-Sensoren samt den daran angelöteten Teilen und Kabelenden eingesetzt und mit Kfz-Dichtstoff ausgefüllt. Nach dem Aushärten des Dichtmittels wird der Fühler BK1 anstelle des bisher vorhandenen Wassertemperaturfühlers am Austritt des Kessels eingeschraubt. Gewindedurchmesser und Steigung sind korrekt. Um den VK2-Sensor zu installieren, müssen Sie einen Einsatz mit einem Gewindeloch in der Rohrleitung anbringen, die den Kessel mit Wasser versorgt. Um den VKZ-Sensor und das zu ihm führende Kabelende vor äußeren Einflüssen zu schützen, wird ein Stück Schrumpfschlauch aufgelegt. Dieser Sensor wird in einem beheizten Raum, entfernt von Wärmequellen und geschützt vor Zugluft, platziert. Die VK5-VKZ-Sensoren werden mit Kabeln aus USB-Verlängerungskabeln mit USB-A-Kabelbuchsen an den X1-Anschluss des Stromversorgungsmoduls und an die Modulverbindungen angeschlossen. Als Thermoschalter SF1 wurde TM108 verwendet, ein standardmäßiger Lüfterschalter für das Kühlsystem von Automobilmotoren, der eine unzulässige Wasserüberhitzung signalisiert. Es ist ein Platz für den Einbau im Kessel vorhanden, Gewindesteigung und -durchmesser sind geeignet. Die Kontakte dieses Schalters schließen, wenn die Wassertemperatur im Kessel 92 erreicht оC, was zur sofortigen Freigabe des Ankers durch Schütz KM1 und zum Abschalten aller Heizungen führt. Die Kontakte des SF1-Schalters öffnen, wenn die Wassertemperatur auf 87 °C sinkt оC. Um Sensorsignale zu analysieren und Steuersignale für Heizungen und andere Geräte des Systems zu erzeugen, wird ein universelles Mikrocontroller-Modul verwendet, das in [1] beschrieben wird, mit einem speziell entwickelten Programm. Um LED-Anzeigen anstelle eines grafischen LCD anzuschließen, wurden am Modul geringfügige Modifikationen vorgenommen. Der Trimmwiderstand R15, der den LCD-Kontrast regulierte, wurde entfernt (die Nummerierung der Modulelemente entspricht dem Diagramm in Abb. 1 in [1]). Die dadurch frei gewordenen beiden Kontakte des Steckers X4 dienen zur Übertragung zusätzlicher Steuersignale für LED-Blinker. Dazu wird Pin 2 mit dem PC7-Ausgang (Pin 28) und Pin 18 mit dem PD7-Ausgang (Pin 30) des DD1-Mikrocontrollers verbunden. Das Diagramm des LED-Anzeige- und Steuermoduls, das anstelle des LCD an das Mikrocontroller-Modul angeschlossen ist, ist in Abb. dargestellt. 2. Es verfügt über dreistellige LED-Anzeigen HG1 - HG3 mit sieben Elementen und einer gemeinsamen Kathode, die Informationen über den Betrieb des Kessels anzeigen. Sie sind abhängig von der gewählten Betriebsart der Heizungsanlage.
Der Mikrocontroller generiert Informationen zur Anzeige auf den Indikatoren HG1-HG3 in Form eines seriellen 24-Bit-Codes, den drei in Reihe geschaltete 2-Bit-Schieberegister in einen parallelen Code umwandeln, der an die Anoden der Anzeigeelemente geliefert wird. Das erste dieser Register befindet sich im Mikrocontroller-Modul (DD1 entsprechend seiner Schaltung). Es dient dem HG1-Indikator. Die anderen beiden (DD2 und DD2 im betrachteten Anzeigemodul) dienen den Indikatoren HG3 bzw. HG24. Der Wert des höchstwertigen Bits des DD2-Registers wird zuerst in das 2-Bit-Register geladen, und der Wert des niedrigstwertigen Bits des DDXNUMX-Registers des Mikrocontrollermoduls wird zuletzt geladen. Die LEDs HL1-HL3 des Anzeigemoduls zeigen die vom Mikrocontroller-Modul EK1, EK2 und EKZ erzeugten Heizsteuersignale an. Die HL4-LED leuchtet, wenn die Wassertemperatur im Kessel sinkt, und die HL5-LED leuchtet, wenn sie steigt. Mit den Tasten SB1-SB4 schalten Sie die Betriebsmodi des Systems um und ändern deren Parameter. Der Schaltplan des Triac-Schaltmoduls ist in Abb. dargestellt. 3. Es verfügt über vier identische Kanäle. Die Positionsbezeichnungen der Elemente jedes einzelnen von ihnen sind mit Präfixen versehen, die mit den Kanalnummern übereinstimmen. Vom Mikrocontroller-Modul erzeugte Steuersignale werden über den Anschluss
Die verwendeten MOC3063-Optokoppler [2] verfügen über Knoten, die die Öffnungsmomente von Phototriacs mit den Momenten verbinden, in denen die an sie angelegte Spannung den Nulldurchgang durchläuft. Dadurch wird das Schaltgeräusch deutlich reduziert. Die ausführenden Elemente der Schalter sind leistungsstarke Triacs 1VS1-4VS1, die auf Kühlkörpern installiert sind und vom Lüfter M1 angeblasen werden (siehe Abb. 1). Die Steuereinheit für diesen Lüfter, angeschlossen an Stecker X3, wird mit dem Transistor VT1 aufgebaut. Das Signal zum Einschalten des Lüfters wird vom Mikrocontroller gleichzeitig mit dem Erscheinen eines Signals an X2, das eine der Heizungen einschaltet, vom Mikrocontroller an den Anschluss Dies gewährleistet eine schnelle Abkühlung erhitzter Triacs. Alle Leistungseingänge (über Widerstände 1R5-4R5) und Ausgänge (über Widerstände 1R6-4R6) der Schaltkanäle sind an den Anschluss XP4 angeschlossen, an den LEDs angeschlossen sind, die die Versorgung der Eingänge (Kontakte XT1-XT4) mit Netzspannung anzeigen die Schalter und deren Aussehen an den Anschlusskontakten X5, an denen Heizungen und eine Pumpe angeschlossen sind. In Abb. Abbildung 4 zeigt ein Diagramm des Moduls für intermodulare Verbindungen und Stromversorgung von Knoten mit geringem Stromverbrauch. Der Transformator T1 reduziert die 220-V-Netzspannung auf 15 V, die dann die Diodenbrücke VD1 gleichrichtet. Nach dem Glätten der Welligkeit mit den Kondensatoren C2 und C3 wird die gleichgerichtete Spannung durch die integrierten Stabilisatoren DA1 und DA2 stabilisiert. Der erste erzeugt eine Spannung von 12 V, um das Relais K1 und den Lüfter M1 zu versorgen (siehe Abb. 1), der zweite - 5 V, um das Mikrocontroller-Modul mit Strom zu versorgen. Das Leistungsmodul enthält außerdem eine Steuereinheit für das Notabschaltschütz der Heizung, bestehend aus Transistor VT1 und Relais K1.
Stecker X3 ist mit dem Mikrocontroller-Modul verbunden und X4 ist mit Temperatursensoren verbunden. Der Stecker X5 führt Heizungs- und Pumpensteuersignale sowie Versorgungsspannungen für das Schaltmodul. Die Teile jedes Moduls der Kesselsteuerung sind auf einer separaten Leiterplatte aus folieniertem Glasfaserlaminat mit einer Dicke von 1,5 mm montiert. Eine Zeichnung der Mikrocontroller-Modulplatine finden Sie in [1]. Der Trimmwiderstand R15 ist darauf nicht verbaut und die Pins 2 und 18 des Steckers X4 werden über Jumper aus isoliertem Draht mit den zuvor angegebenen Pins des Mikrocontrollers verbunden. Es sind keine weiteren Änderungen erforderlich. Die Leiterplatte des Anzeige- und Bedienmoduls ist doppelseitig. Eine Zeichnung seiner gedruckten Leiter ist in Abb. dargestellt. 5, und die Lage der Teile ist in Abb. 6. Wenn diese Platine mit einer Technologie ohne Seiten hergestellt wird, sind kurze blanke Drahtstücke erforderlich. Die Anschlüsse der Teile sind ebenfalls beidseitig angelötet.
Der Rest der Leiterplatten ist einseitig. Eine Zeichnung der Triac-Schaltermodulplatine ist in Abb. dargestellt. 7. Die Verbindung der Elektroden von 1 Triacs mit den Kontaktpads auf der Leiterplatte erfolgt über isolierte Drähte mit einem Querschnitt von mindestens 2,5 mm2. Der Lüfter M1 ist auf U-förmigen Kühlkörpern der Triacs 1VS1 - 1VS4 montiert (Abb. 8). Zu diesem Zweck werden in den oberen Regalböden der Kühlkörper Gewindelöcher angebracht. Eine Zeichnung der Leistungsmodulplatine und der Verbindungen zwischen den Modulen ist in Abb. dargestellt. 9.
Das Gerät verwendet Festwiderstände MLT, S2-33, Oxidkondensatoren K50-35 oder importiert, die restlichen Kondensatoren sind K73-17. Alle Chips und Indikatoren HG1-HG3 sind im Panel verbaut. Die Heizkesselsteuerung ist in einem Gehäuse des LG Music Centers montiert (Abb. 10). Auf der unteren Metallplatte des Gehäuses, die zur Rückwand des Geräts wurde, sind alle Module, Schütze, Leistungsschalter und andere große Teile befestigt. Die obere Kunststoffplatte ist zur Frontplatte geworden. Darin befinden sich Löcher für Anzeigen und Bedientasten sowie für den Zugang zum Schalter SA1 und den Leistungsschaltern SA2-SA5. Die Seitenwände der Karosserie werden auf das benötigte Maß zugeschnitten. Im unteren Teil befinden sich Anschlüsse zum Anschluss von Temperatursensoren und externen Stromkreisen. Die Stromkreise des Gerätes bestehen aus isoliertem Montagedraht mit einem Querschnitt von mindestens 2,5 mm2.
Die Steuerung des Kessels erfolgt über vier in der Anzeige- und Steuereinheit eingebaute Tasten. Mit den Tasten SB4 „+“ und SB3 „-“ können Sie die Stabilisierungstemperatur jederzeit ändern. Wenn der Sensor zur Messung der Raumlufttemperatur nicht angeschlossen ist, wird die Wassertemperatur im Kessel stabilisiert. Durch den Anschluss dieses Sensors werden seine Messwerte auf dem Indikator angezeigt und die Raumtemperatur wird stabilisiert. Die Anzeige HG1 des Anzeige- und Steuermoduls zeigt im Betriebsmodus bei Vorhandensein eines BK3-Fühlers die eingestellte Lufttemperatur im Raum und ohne diesen die eingestellte Wassertemperatur im Kessel (am Auslass oder am Einlass, je nachdem) an eingestellten Modus). Der HG2-Indikator zeigt die gemessene Temperatur der Raumluft oder des aus dem Kessel austretenden Wassers an. Wenn der Lufttemperatursensor angeschlossen ist, zeigt der HG3-Indikator die gemessene Wassertemperatur am Kesselauslass an, und wenn er nicht angeschlossen ist, am Kesseleinlass. Durch Drücken der SB1-Taste „Mode“ gelangen Sie in den Servicemodus und wählen den Parameter aus, der geändert werden soll. Verwenden Sie die Taste SB3 „-“, um den Wert des ausgewählten Parameters zu verringern, und die Taste SB4 „+“, um ihn zu erhöhen. Durch Drücken der SB2-Taste „Memory“ werden die Werte der geänderten Parameter in das EEPROM des Mikrocontrollers geschrieben. Um die Standardparameter wiederherzustellen, d. h. zu den Werten zurückzukehren, die beim ersten Einschalten des Systems gültig waren, müssen Sie die SB2-Taste „Memory“ länger als 5 s gedrückt halten. Wenn ein Dauerton ertönt, kann die Taste losgelassen werden. Im Servicemodus wird auf der Anzeige HG2 der Buchstabe P mit der Nummer des einstellbaren Parameters und auf der Anzeige HG1 dessen Wert angezeigt. Alle einstellbaren Parameter, ihre Änderungsgrenzen und Standardwerte sind in der Tabelle angegeben. Es umfasst auch Parameter, die im Betriebsmodus eingestellt werden und daher keine Symbole auf der Anzeige haben. Dies sind die Werte der Wassertemperatur im Kessel oder der Luft im Raum, die vom Heizsystem aufrechterhalten werden. Alle Parameter können nur ganzzahlige Werte annehmen. Es ist zu beachten, dass das Mikrocontroller-Programm ihre Richtigkeit nicht überprüft. Aus diesem Grund sollten Sie beim Ändern von Einstellungen Ihren gesunden Menschenverstand und Vorsicht walten lassen. Es gibt drei Möglichkeiten, den Servicemodus zu verlassen. Dies geschieht zunächst nach dem Drücken der „Memory“-Taste und dem Schreiben von Informationen in das EEPROM. Zweitens automatisch eine Minute nach dem letzten Tastendruck. Drittens durch das Durchsuchen aller Parameter vor dem Eintritt in den Betriebsmodus. Alle Tastendrücke werden von Bestätigungstönen begleitet. Geänderte Parameterwerte, die nicht in das EEPROM geschrieben werden, sind nur bis zum Ausschalten des Gerätes gültig. Wenn Sie das Mikrocontroller-Modul zum ersten Mal mit dem neu geladenen Programm einschalten, werden die Standardparameterwerte in das EEPROM des Mikrocontrollers überschrieben. Dafür muss das EEPROM jedoch sauber sein (0FFH in allen Zellen enthalten), sonst werden die Informationen nicht neu geschrieben, alle Parameter müssen manuell eingestellt werden. Nach der Initialisierung der Temperatursensoren und des Anzeigesystems prüft das Programm den Zustand des SF1-Thermoschalters und gibt bei Unterschreitung der zulässigen Wassertemperatur ein kurzes Bereitschaftssignal und schaltet das Schütz ein. Nachdem festgestellt wurde, welche Sensoren angeschlossen sind, steuert das Programm die Heizungen und hält die eingestellte Temperatur des Wassers im Kessel oder der Luft im Raum aufrecht. Die Messwerte eines fehlenden oder fehlerhaften Sensors werden auf der Anzeige durch drei Striche ersetzt. Wenn die Temperatur unter den eingestellten Wert sinkt, werden die Pumpe, der Triac-Kühlventilator und abwechselnd in bestimmten Abständen die Heizelemente eingeschaltet. Wenn die eingestellte Temperatur erreicht ist, schalten sich die Heizelemente nacheinander ab. Standardmäßig läuft die Pumpe weiter, ohne sich auszuschalten. Mit Parameter P_2 können Sie jedoch festlegen, dass sie sich nach einer durch Parameter P_3 festgelegten Zeitspanne ausschaltet oder wenn die Wassertemperatur auf den durch Parameter P_4 festgelegten Wert sinkt. Das Triac-Gebläse schaltet sich nach der durch Parameter P_10 eingestellten Zeit ab, nachdem die letzte Heizung ausgeschaltet wurde. Wenn die Temperatur um die durch Parameter P_1 angegebene Gradzahl sinkt, werden die Heizungen wieder eingeschaltet und der Temperaturregelzyklus wird wiederholt. Je höher der Wert dieses Parameters ist, desto seltener schalten sich die Heizungen ein, aber desto länger arbeiten sie.
Leiterplattendateien im Sprint Layout 5.0-Format und das Mikrocontroller-Programm können von ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/03/epo_evan.zip heruntergeladen werden. Literatur
Autor: V. Kiba
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