Предложен и разработан вариант электронного устройства управления и защиты ЭВГ и бытовой установки на базе генератора, защищенного авторским свидетельством [5].
На рис. 2 представлена функциональная схема электронного устройства управления и защиты. Устройство для газопламенной сварки и пайки содержит электронный контактор 1, выпрямительный мост 2, регулятор потребляемой мощности 3, электролизер с датчиками давления и температуры 4, предохранитель обратного удара 5, регулятор давления газовой смеси 6, блок защиты по давлению 7, содержащий задатчик критического давления и первую схему сравнения СС 1, блок защиты по температуре, содержащий вторую схему сравнения СС 2, задатчик критической температуры, транзисторный логический элемент ИЛИ, ключ 10 для отключения электронного контактора 1.
Один из газовых выходов электролизера соединен с регулятором давления 6, имеющим обратную связь с регулятором потребляемой мощности 3, а второй газовый выход через предохранитель обратного удара 5 соединен с одним из газовых каналов горелки, при достижении определенного уровня давления, задаваемого задатчиком регулятора 6, регулятор потребляемой мощности 3 выключается, а при снижении давления ниже уровня регулятор потребляемой мощности 3 включается и через электролизер 4 протекает ток. Это позволяет поддерживать давление в системе на определенном заданном уровне.
Рис. 2. Функциональная схема защиты и релейного управления ЭВГ
Сигнал защиты электролизера 4 при недопустимом по условиям эксплуатации давлении, вызванный, например, отказом элементов регулятора потребляемой мощности 3 или регулятора давления 6, формируется блоком защиты по давлению 7. Электрический сигнал с датчика давления поступает на вход схемы сравнения СС 1 блока защиты 7 и сравнивается с электролитическим сигналом задатчика критического давления 3 КД, подаваемого на другой вход схемы сравнения СС 1 блока 7.
Если первый сигнал превышает второй, то на выходе блока 7 появится сигнал защиты. Сигнал защиты электролизера 4 при недопустимой по условиям эксплуатации температуре его пластин формируется блоком температурной защиты 8. Электрический сигнал с датчика температуры, размещенного на электролизере 4, подается на вход схемы сравнения СС 2 и сравнивается с электрическим сигналом задатчика критической температуры ЗКТ, подаваемым на второй вход СС 2 блока защиты 8.
Если первый сигнал превысит по амплитуде второй, то на выходе блока 8 появится сигнал защиты. Выходы блоков 7, 8 имеют электрическую связь со входами транзисторного логического элемента ИЛИ 9, поэтому при появлении сигнала защиты на любом из выходов последнего на его входе возникает электрический сигнал, приводящий к выключению ключом 10 цепи управления контактора и запиранию электронного контактора 1, отключающего питание электролизера 4.
Достижения электронной и вычислительной техники позволяют создать новые принципы и системы управления, контроля и защиты ЭВГ и установок на их основе. На основе наших патента и изобретения [5, 6], а также работ по результатам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ [7, 8, 9] созданы варианты установок для бытового и промышленного применения [3, 4, 10].
Увеличение мощности и производительности ЭВГ требует применения электронных систем электропитания, управления и защиты от трехфазной сети и перехода на более сложные узлы, обеспечивающих стабилизацию давления и параметров пламени, контроль и защиту ЭВГ и элементов электрооборудования при недопустимых по условиям эксплуатации давлении и температуре [10, 11], возникновении обратного удара, выхода из строя узлов и элементов системы управления. Построение такой системы возможно только при применении современных электронных средств - микропроцессоров, микроконтроллеров и микро ЭВМ.
В наших работах [8, 9] приведена блок-схема системы управления и защиты ЭВГ с применением микро-ЭВМ. Известно, что смесь водорода и кислорода считаются взрывоопасными, если в водороде содержится более 5,7% кислорода, а в кислороде более 5% водорода [12]. Из этого следует, что с целью обеспечения надежности и взрывобезопасности, а также регулировки характера и параметров пламени целесообразно раздельное получение водорода и кислорода. Проблемы построения такой системы связаны, прежде всего, с конструктивным решением. В установках производства водорода обычно используются биполярные электроды с мембранным методом разделения кислорода и водорода. При электролизе щелочных растворов с электродами из никеля, как в нашем варианте, на аноде образуются крупные пузырьки из кислорода, а у катода мелкие пузырьки водорода. Для лучшего удаления пузырьков из электролита и с поверхности электродов они выполняются двойными: к основному электроду с зазором подвешиваются два выносных.
Функциональная схема системы управления и защиты сварочной установки на базе электролизно-водного генератора с раздельным получением водорода и кислорода представлена на рис. 3. Основным узлом установки является электролизер 4 монополярного типа, генерирующий кислород и водород.
Рис. 3. Функциональная схема системы управления и защиты технологической установки на базе электролизно-водного генератора:
1 - тиристорный блок управления; 2 - выпрямительный блок; 3 - расходомер электроэнергии; 4 - электролизер; 5, 6 - устройство очистки газов; 7, 8 - редукторы газовые с электронным управлением; 9, 10 - устройство защиты от обратного удара и обрыва в газотранспортной системе; 11, 12 - вентили газовые; 13 - оптронная развязка; 14 - формирователь импульсов; 15 - триггер; 16 - счетчик; 17 - компаратор; 18 - микроЭВМ
Газы накапливаются раздельно в кислородной и водородной областях электролизера. Далее газы проходят очистку в устройствах (5, 6). Уровень высокого давления заканчивается управляемыми от микроЭВМ редукторами (7, 8), что позволяет программно регулировать мощность и химический состав (окислительный или восстановительный) для реализации заданного цикла или режима сварки и пайки. После редукторов газы раздельно проходят через устройства защиты от обратного удара (9, 10) и поступают через вентили ручного управления (11, 12) к горелке.
Питание электролизера осуществляется через тиристорный контактор (1), объединяющий функции управления, защиты и коммутации, и выпрямительный мост (2), обеспечивающий сглаженный ток. Непосредственно на шины постоянного тока устанавливается датчик расхода электроэнергии (3), сигнал с которого контролируется на ЭВМ. Это позволяет после обработки сигнала на ЭВМ реализовать контроль расхода газа.
Выпрямленное пульсирующее напряжение частотой 6 f поступает на формирователь импульсов (14). Формирование импульсов происходит в моменты коммутации вентилей, т.е. равенства двух линейных напряжений. Эти моменты запоминаются триггером (15) и прибавляют единицу к текущему содержимому счетчика (16). При переполнении счетчика он начинает счет с нуля и далее процесс повторяется. Компаратор (17) сравнивает n-разрядное положительное двоичное число, поступающее со счетчика с (n+1) разрядным числом, поступающим с порта микроЭВМ (18). Если первое число больше последнего, то формируется единица, в противном случае - нуль. Развязка силовой цепи от слаботочной обеспечивается оптронной схемой (13).
В качестве примера конкретной реализации описанной выше функциональной схемы на рис. 4 приведена принципиальная электрическая схема управления и защиты ЭВГ с однофазным питанием на базе микроконтроллера PIC16F84А.
Рис. 4. Схемы управления, контроля и защиты ЭВГ на базе PIC16F84A:
1 - датчик температуры DS18B20 с цифровым выходом; 2 - электрическая схема сигнализатора рабочего давления (DPD); 3 - электрическая схема сигнализатора критического давления (DKD); 4 - схема включения системы охлаждения; 5- схема рабочего включения и отключения питания электролизера; 6 - схема аварийного отключения ЭВГ по температуре; 7 - схема аварийного отключения ЭВГ по давлению
В качестве датчика температуры в схеме использован DS18B20, работающий в диапазоне температур от -50 до +125оС. Выходной сигнал датчика - в цифровой форме, поэтому он может быть непосредственно подключен к микроконтроллеру (уровни сигналов также согласуются). В качестве датчиков давления используются уже проверенные нами ранее релейные сигнализаторы давления типа МСТ. Рабочий на давление до 3 ати (0,3 МПа). Аварийного отключения до 6 ати (0,6 МПа). В качестве сигнализаторов состояния электролизера по температуре используются светодиоды: синий D1 - холодный электролизер, D2 - температура достигла оптимальной величины (80о С) и красный D3 - перегрев электролизера (Т>85o C). Построенные схемы управления, контроля и защиты на базе микроконтроллера позволяют легко изменять рабочие диапазоны температур и давлений. Внесение соответствующих изменений производится в программу прошивки микроконтроллера. Как необходимый рабочий диапазон температур, так и рабочий диапазон давлений устанавливается для конкретной конструкции электролизера и режима работы ЭВГ.
На рисунке 5 приведены общий вид аппарата "Мюон-10", разработанного для НИИ ТП, узла электронного управления и вида пламени.
Рис. 5. Общий вид аппарата, узел электронного управления и вид пламени
Технические характеристики газогенератора
Напряжение сети, В ………………………………………. 220
Частота, Гц ………………………………………………… 50
Потребляемая мощность, вКт …………………………… 2,5 ч 3
Максимальное рабочее давление в системе, кгс/см 2 …… 2
Максимальный расход газа, л/час ………………………. 740
Максимальный расход воды, г/час ……………………… 340
Литература
1. Корж В.Н., Дыхно С.Л. Обработка металлов водородно-кислородным пламенем. Киев: Техника, 1984.
2. Варламов И.В., Феоктистов Н.А. Проблемы улучшения технологии и безопасности при выполнении сварочно-паяльных работ и охрану окружающей среды // Охрана окружающей среды на предприятиях бытового обслуживания: Сб. научных трудов. М.: ГАСБУ, 1993.
3. Варламов И.В., Феоктистов Н.А., Сотникова Г.П. Конструкция оптоэлектронного датчика давления для бытового электролизно-водного генератора // Вопросы инженерного проектирования технических средств и систем бытового назначения. Сб. научных трудов. М.: ГАСБУ, 1993.
4. Варламов И.В., Феоктистов Н.А., Теодорович Н.Н. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси в технологии пайки сварки // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2001. № 1.
5. Авт. Свид. № 1754798 Устройство автоматичного правления процессом электролиза воды для получения водорода и кислорода. Варламов И.В., Феоктистов Н.А // Бюл. изобр. 1992. № 30.
6. Корж В.Н., Дыхно С.Л. Обработка металлов водородно-кислородным пламенем. Киев: Техника, 1984.
7. Патент 201485 С 1 5В 23 К 5/100 С 25 В 15/02. Устройство для газопламенной обработки металлов / Варламов И.В., Феоктистов Н.А. и др. Заявлен 16.07.92, получен 15.06.94.
8. Ромаш Э.М., Феоктистов Н.А., Ефремов В.В. Электронные устройства информационных систем и автоматики: Учебник. М.: ИТК "Дашков и Кє", 2009. 248 с.
9. Феоктистов Н.А. и др. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси с электронным управлением от микро-ЭВМ. // Естественные и технические системы. 2009. № 6. С. 567-570.
10. Феоктистов Н.А. и др. Электролизно-водородные генераторы кислородно-водородной смеси в технологии сварки и пайки // Естественные и технические науки. 2008. № 6 (38).
11. Феоктистов Н.А. Тиристорные устройства управления и защиты бытовых аппаратов и электротехнологических установок. М., 1996. 222 с.
12. Феоктистов Н.А., Варламов И.В. Принципы построения и схемные решения оптоэлектронных датчиков давления бытового ЭВГ. Материалы 11-й Международной НТК "Наука-сервису" // Под ред. Проф. Ананьевой Т.Н., М.: ГОУ ВПО МГУС, 2006.
13. Феоктистов Н.А., Варламов И.В., Теодорович Н.Н. Режимы работы систем управления и источников электропитания бытовых электролизно-водных генераторов. М., МГУС, 2004.
14. Электротехнологические промышленные установки. Под ред. А.Д. Свенчанского. М.: Энергоиздат, 1982.