Контроллер насосной станции.

Автор: Е.Г. Чепкасов (Z_h_e)
Опубликовано 06.07.2016
Создано при помощи КотоРед.

1. Назначение.

    Данный контроллер предназначен для управления погружным вибрационным насосом при организации водоснабжения  как с гидроаккумулятором, так и без него. В некоторых случаях управлять можно другими типами насосов.

Возможности устройства:

• измерение давления в трубопроводе;
• измерение силы тока потребляемого насосом;
• индикация всех параметров контроллера на ЖКИ;
• три метода поддержания давления в трубопроводе: релейный двухпозиционный, двухпозиционный с плавным вкл./выкл. и ПИД регурлятор;
• защита от сухого хода по снижению давления и длительной работы насоса;
• плавный пуск насоса, если есть необходимость;
• защита насоса от перегрузки;
• все параметры настраиваются с помощь приложения Windows через USB;
• можно применять любой датчик давления сигнал которого преобразуется в напряжение 0 - 3,3 В.
• применен недорогой, но мощный микроконтроллер STM32F103;
• для прошивки  не требуется программатор;
• очень простая электрическая схема.

2. STM32F103 и Minimum System Development Board

      Как я уже указал, основой устройства является замечательный контроллер STM32F103. Цена данного МК очень заманчивая, даже если бы он умел всего-лишь половину того чего умеет. Не убиваемый программно (никакая некорректная прошивка не залочит его) и не требующий обязательного наличия программатора - он очень хорошо прошивается через UART, т.е. это можно сделать через COM порт, само собой через преобразователь уровня, например через MAX232. По прошивке через последовательный порт можно почитать здесь. 

    Есть и недостаток данного микроконтроллера для применения в радиолюбительcтве (а для кого-то наоборот плюс) - мелкий шаг ножек корпуса. Но данный недостаток легко исправляется с помощью китайцев. Наши азиатские соседи торгуют вот такой замечательной платкой, на которой  уже установлен минимальный обвес.

А вот и ее электрическая схема:

      Кроме минимальной обвязки на это плате плюсом идет стабилизатор на 3.3В (именно такое напряжение питания требует МК) и установленный разъем microUSB  типа B, парочка светодиодов, два кварцевый резонатора. По периметру платы разведены пяточки портов, к которым легко подпаятся не боясь повесить "соплю".  Вообщем, после завливки прошивки МК на данной плате сразу готов к работе.

3. Таблица подключений и электрическая схема.

Для того чтобы устройство могло управлять насосом и показывать параметры на дисплее. Необходимо подключить дисплей, схему перифирии и запитать все это.

Данное устройство у меня собрано модульно, для простоты отладки. Состоит из четерех модулей соедененных проводами:блок питания, плата периферии, плата МК, дисплей.

Начну с дисплея.  Применен очень популярный ЖКИ с контроллером hd44780.  В проекте  используются только латинские символы, поэтому подойдет любой ЖКИ данного типа.

Плата перефирии.

    Предназначена для связи платы МК с датчиками и управления нагрузкой, т.е. насосом. Начну описание сверху вниз.

• Предохранитель плавкий  (значение тока должно быть чуть больше пускового тока вашего насоса). 
• Выход NulDet - выход детектора перехода через ноль каждой полуволны сетевого напряжения. Сопротивление 60кОм, мощность 1Вт.
• Ipump - напряжение пропорциональное силе тока протекающей через насос. Сила тока протекающая через насос, понижается  трансформатором тока hwct 5A/5mA, выпрямляется диодным мостом и преобразуется в напряжение  с помощь сопротивления 600Ом. Далее через защитную цепочку сопротивление- стабилитрон поступает на вход АЦП МК.
• dim - выход МК управляющий включением насоса. Оптосимистор moc3021, симистор BT137-600E выдерживающий длительный  ток 8А. Установлен на радиатор.
• Press - напряжение пропорциональное давлению в системе водоснабжения. Тоже идет через стабилитонную схему защиты на вход АЦП МК.

Пояснения к данной схеме:

• в моем собранном устройстве я совершенно забыл про защиту АЦП от перенапряжения и по факту его нет, как и нет на трассировке платы, но она совершенна необходима. Так как STM32 толерантный к 5В, то я бы поставил стабилитрон на 5 В, а сопротивление, думаю, достаточно 1кОм.
• опорным напряжением для STM32F103 является напряжение поданное на вход Vdda. На китайской плате на него жестко заведено без какой-либо фильтрации 3,3В . Это снижает точность измерения, но она тут и не нужна.
• Т.к. опорное напряжение 3.3В, то на вход АЦП должно подаваться напряжение в пределах 0 -3.3 В.
• Сопротивление-шунт для измерения силы тока у меня установлен 600 Ом. Т.е. при максимальном токе 5А, трансформатор выдаст 5мА. По закону Ома получается U=600*0,005=3В. Практически весь диапазон АЦП. Однако вибрационный насос потребляет значительно меньше. Т.е. сопротивление шунта можно увеличить, а включенный ему параллельно конденсатор уменьшить. Повторюсь, сейчас у меня установлены 600 Ом и 47мкф. Пробовал ставить конденсатор 1мкф - показания по силе тока стали крайне нестабильными, но если сильно увеличить емкость, то время реакции на изменение силы тока замедлится.
• Датчик давления - у меня установлен датчик КРТ-5 с выходным сигналом 4-20 мА, который преобразуется в напряжение на сопротивлении Rp. Rp=3.3В/0,02А= 165 Ом.
• стабилизатор 5В - нужен для получения 5В от которых запитываются дисплей и плата микроконтроллера. От него же через потенциометр подается напряжение контрастности дисплея на вход V₀ ЖКИ. 

       По поводу дачтика давления. Датчик давления КРТ-5 или другие аналогичные довольно дорогие и сразу ставит на нет желание собирать такое устройство. Я его использую только потому, что они у меня есть и применять подобное нет никакого смысла, если покупать. На самом деле не все так страшно. Опять придут на помощь все теже азиаты, продают трехпроводные датчики  давления от 600 рублей (может меньше где есть).  Напряжение питания 5В, выход (0,5-4.5) В.  Стаблизиатор 5В у меня применен только потому, что датчик КРТ требует питание от 10В. Если же применять датчик сразу 5 вольтовым питанием, то нужда в схеме стабилизации отпадает, а источником питания может являтся зарядник для телефона на 5В. Я думаю их полно в доме у каждого.

   Есть еще один вариант датчика давления - это автомобильные датчики давления масла ММ355 и ММ358, цена которым 200руб., первый на 10кгс/cм², второй на 6 (если память мне не изменяет). Представляют собой реостат, движок которого двигает мембрана. Чем больше давление, тем меньше сопротивление. Сопротивление при нулевом давлении где-то 200 Ом. Не смотря что данные датчики предназначены для масла, на рынке существует фирма, которая применяет эти датчики именно в этой ипастаси. 

    Включить его можно например так:

 Потенциометр - это датчик давления, конденсатор - защита от дребезга контактов, вольтметр символизирует АЦП микроконтроллера. Данную схему  необходимо запитать от стабилизированного источника питания 3В.

Плата микроконтроллера.

Схему данной платы я уже уже привел. Осталось указать что куда подключить.

4. Приложение Windows  и настройка контроллера водоснабжения.

         После прошивки микроконтроллера и его обязательной перезагрузки, устройство требует настройки. Настройка производится с помощью приложения Windows. Включаете устройство в сеть, подключаете его к компьютеру через USB (драйвер не требуется), запускаете программу Relay_Press_Smart.exe.

       Окно приложения разбито на несколько групп. Для каждой группы параметров имеются кнопки считать и отправить, назначение их я думаю понятно.  Нажатие большой кнопки "Записать во FLASH" сохранит все параметры в энергонезависимой памяти, по поводу нее будут пояснения в форуме.

       Настройку надо начинать с каналов АЦП.  Например настраивается канал датчика давления. Устанавливаете низкое давление, например 0, нажимаете считать, запоминаете значение АЦП тек. Затем устанавливаете значение высокого давления и тоже запоминаете код АЦП. Затем надо заполнить новыми значениями поля "АЦП низ", "Дав.низ", "АЦП верх", "Дав.верх" и единицы измерения давление. Нажать "Отправ." Теперь устройство правильно измеряет давление.
Аналогичную настройку нужно провести с каналом АЦП (ток).

        Переходим к панели "Уставки по току". Назначение данных уставок - это защита насоса от превышения тока. Не является защитой от КЗ или поражения электрическим током!  Вы знаете, что насос потребляет не более 0,5А.   В поле "Предел, А" устанавливаете 0.5.  Например, из-за повышении напряжения сети, увеличилась сила тока на нагрузке. Устройство начнет плавно снижать мощность подаваемую на насос (на ЖКИ этот параметр будет отображаться как "Power max xxx%" и если он не 100%, значит мощность уменьшена).  Когда напряжение сети вернется в норму, мощность вернется к 100%.  Для снижения мощности есть ограничение, поле "Допус. сниж.мощ.%". Снижение  мощности ниже этой уставки ведет к отключению нагрузки, повторное включение только после перезапуска устройства, на ЖКИ будет сообщение об ошибке.

• Далее пример настройки  в режиме обычного Реле давления. В панели управления мощности нужно установить скорость нарастания 100% (мгновенное включение/выключения насоса). ПИД регулирование выключено - нужно снять "галочку". В панели "Уставки по давлению" устанавливаете "Уст. СХ", например 0.5 кгс  - если давление ниже, то это считается работа насоса на сухую. "Уст.вкл" - если давление ниже , то насос включается, например 1.00кгс. "Уст.выкл.", например 3.00кгс, выше которой насос выключается. "Доп.врем. работы СХ" - если насос работает на сухую дольше этого времени, то выключается. Система переходит в режим ожидания на время "Вр. ожид. СХ", после этого производится попытка набрать давление, если не получилось, то система опять переходит в режим ожидания на время*2, затем на время*3, но не более чем время *4. "Доп. время. пост. работы" - если насос за это время ни разу не отключался, то устройство считает это как сработку СХ.
• Система с плавным пуском. Позволяет работать без гидроаккумулятора. Устанавливаете все тоже самое. Только в поле "скор.нарас" нужно установить значение меньше 100%. Например если вы установите значение 1%, то выход насоса на полную мощность произойдет за 10 сек. Тоже время понадобится для отключения насоса. Поскольку мощность насоса будет изменятся плавно, рамка между уставками включения и выключения насоса должна быть сужена.
• ПИД регулятор. При установке "галочки" ПИД, мощность подаваемая на насос будет определятся по закону ПИД. Значение скорости нарастания, уставки включения и выключения не имеют значения. Уставки по СХ  и по ограничению силы тока остаются в силе.
  Функция ПИД Power(%)=Kp*E+Ki*SE+Kd(E-E_i-1). Частота (дискретность) расчета ПИД определяется полем dt, если ошибка Е меньше поля delt, то Е=0. Если рассчитанная мощность вышла из рамок 0 - 100%, то интеграция ошибки в сторону увеличения выхода прекращается.
  
  

5. Заключение.

 После публикации данной статьи, мной будет создана соответствующая тема в форуме этого замечательного сайта, где будет размещена дополнительная информация по работе данного устройства и возможно новые версии ПО.

Файлы:
Плата периферии (Lay6)
Приложение WIN
STM32 (HEX)

Все вопросы в Форум.