Автоматическая система контроля насосов — необычное решение необычной задачи с микроконтроллером ESP8266. Часть 2. Воплощение в железе.

В первой части повествования о создании системы автоматического контроля протечек, основанной на мониторинге времени работы насосов, я подробно рассказал о постановке задачи. Я хочу, при помощи алгоритма скользящего окна, отслеживать суммарное время работы насосов в определенном временном промежутке. И если это время превышает заранее установленный порог, просто отключать насосы. Но то задумка, которую необходимо было реализовать в реальном проекте. Для ее реализации, мне требовалось создать как программное, так и аппаратное обеспе́чение. Собственно, о последнем и пойдет речь в этой части статьи. Начнем с самого просто, с реле, которое должно разорвать электрическую сеть в случае возникновения аварийной ситуации.

Реле

В обычной бытовой электропроводке принято использовать автоматы, ограничивающие нагрузку по току, в калибре 16А для розеток и 10А для освещения. Для более мощных потребителей, таких как электроплиты или нагреватели, могут применяться автоматы с током отсечки 25А и выше. Но, а для двух насосов у меня используется одна, выделенная фаза, с автоматом как раз на 16А, что соответствует по мощности и насосам и проводке, идущей на них. Использование отдельной фазы для подключения насосов обусловлено тем, что при старте, насосы способны потреблять куда больше, нежели заявленная производителем энергетика. Подключение насосов к общей сети дома, при других работающих потребителях, может приводить к тому, что сеть будет перегружаться и могут наблюдаться «просадки» в напряжении, чего, разумеется, следует избегать.

Проблема подгорающих контактов

Поскольку назначение устройства — аварийное отключение, то предполагается, что реле должны отключать работающую и потребляющую ток нагрузку. У реле с такими мощными потребителями, как асинхронные двигатели, при их отключении от электросети, могут наблюдаться эффекты возникновения электрической дуги на контактах расцепителя. Дуга может привести к быстрому износу контактов реле, вплоть до полного его выхода из строя. Как с этим бороться? Вариантов тут несколько.

Отключение контактов реле при переходе через 0

Одним из популярных методов безболезненного отключения нагрузки или же переключения ее на альтернативный источник питания является осуществление коммутации при переходе напряжения переменного тока через нулевую отметку. В таком случае в сети возникает минимум помех и максимально сохраняются контакты реле. Подобной схемой часто пользуется «Меандр» в своих устройствах, что позволяет им использовать реле без запаса по току.

Но применение подобной схемы несколько проблематично, если речь идет о мощном асинхронном двигателе, нагрузке индукционной, да еще и с мощным конденсатором. Более того, с механическим реле, доступном для простого обывателя, ловить 0 и переключать контакты — задача бесперспективная. Слишком уж медленно срабатывает реле, напряжение успеет несколько раз перескочить через 0 пока контакты реле не окажутся на безопасном расстоянии. Необходимо использовать полупроводниковое, так называемое, твердотельное реле. А на большие нагрузки его еще и поискать нужно, да и греться твердотельное реле под серьёзной нагрузкой будет как паровой утюг.

Использование более мощного по номиналу реле

Одним из вариантов, позволяющим, если не устранить полностью, то хотя бы уменьшить проблему подгорания контактов, можно смело назвать использование более мощного по номиналу реле, чем применяемая нагрузка. Так, если самый мощный из моих насосов потребляет 1.1 кВт от сети 220 В во время устоявшейся работы, то с учетом переходных процессов во время запуска двигателя можно считать, что для него требуется реле с номинальным током коммутации порядка 10А. А если брать с запасом, то лучше использовать реле, рассчитанное на нагрузку в 20, а еще лучше 30А. У таких реле шире контактные площадки, чем у маломощных, поэтому электрическая дуга, даже если и возникнет, то не сможет быстро вывести реле из строя.

Применение различных «гасителей» перенапряжения

При отключении такой индуктивной нагрузки, как мощный электродвигатель, да еще и работающей на полной мощности, могут возникать перенапряжения, связанные с запасенной в электродвигателе и его схеме управления энергии. Что дает дополнительный шанс на появление хорошей такой электрической дуги между контактами электромеханического реле. Для гашения негативных воздействий отключения мощной индуктивной нагрузки можно применить несколько методов, мне известно, как минимум два.

снаббер, rc-цепь, плата

Готовая плата снаббера для защиты реле от перенапряжений вызванных индуктивной нагрузкой.

Первое — использование так называемых снабберов или RC-цепей. Снабберы обычно применяются для защиты от перегрузки импульсными помехами силовых полупроводниковых ключей, но могут применяться и для снижения негативных эффектов при работе с реле. Как не трудно догадаться из названия, простейший снаббер состоит из последовательно соединенных сопротивления и конденсатора. Если покопаться в Википедии, то можно узнать о различных типах снабберов, в том числе и даже о механических вариациях. Правда механика применяется уже не для компенсации электрических помех, а для нивелирования сейсмического воздействия на здания и сооружения.

Помимо snubbers можно использовать и другую технику компенсации — варистор. Варистор — это такой полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от величины приложенного к нему сопротивления. До определенного уровня напряжения варистор ведет себя практически как изолятор, его сопротивление чрезвычайно велико. Но как только напряжение превышает определенный порог, то его сопротивление падает, и он становится проводником.

7n391k, деталь, радиодеталь, варистор

Варистор 7N391K

Как и снаббер, варистор может применяться для защиты контактов реле или мощного полупроводникового ключа. При возникновении импульса повышенного напряжения, варистор включается в работу, и ток протекает по нему, а не образует дугу на контактах реле или не нагревает излишне силовой ключ. Затем напряжение понижается, и схема выключается без негативного воздействия. Варистор в такой схеме подключается параллельно контактам реле или ключа. Но некоторые производители применяют варисторы еще и в качестве одноразового ограничителя по току в своих приборах. В таком случае варистор устанавливается между фазовым и нулевым проводом (или + и –), и в случае возникновения высокого напряжения он устраивает короткое замыкание в подающей линии, на которое должен среагировать автомат защиты (внутренний или внешний). Сам варистор при этом, в большинстве случаев, благополучно выходит из строя, не влияя на работоспособность защищаемого устройства.

Что в остатке?

Итак, для реализации проекта я выбрал два реле Songle на 30А каждый из моих насосов. Причем реле уже собраны на плате с управляющей логикой. Мне нужно только подавать импульсы для переключения режимов работы реле.

плата, реле, songle, sla-12vdc-sl-c, 1hp, 120VAC, 1/2HP, 240VAC, 30A, 240VAC

Сборка реле с гальванической развязкой на базе Songle SLA-12VDC-SL-C 30А

Для защиты реле я использую варисторы. Поскольку коммутация у меня будет происходить всего одной фазы переменного тока, то я использовал варисторы 391, хотя можно применить и 491. Отличаются они по напряжению срабатывания, 390 и 430В соответственно. Энергия поглощения варистора порядка 30-33 Дж, чего должно быть вполне достаточно для успокоения остатков энергии в насосах.

плата реле, model:fc-65, 1 Relay Module, high/low level trigger, что-то по китайски, резистор, варистор

Модификация платы реле FC-75. Добавлен резистор вместо отключенного, к выходам реле подключен варистор.

Для защиты контактов реле варистор пришлось припаять к выводам прямо на плате. У самого реле механическая часть двоякая. В любом состоянии доступно две пары контактов, замкнутые и разомкнутые. Для того чтобы не потреблять энергию в нормальном режиме работы, подключение нагрузки, насосов, осуществляю к нормально замкнутым контактам реле. Что означает, что ток через реле будет течь, если не подавать на электронику платы никаких сигналов, а для отключения нагрузки, мне придется подать напряжение на управляющий вход платы реле.

Коммутация реле

Поскольку реле достаточно мощное, то для его работы требуется напряжение питания в 12V. Конечно, оно срабатывает и при более низком напряжении, но работа в таком режиме будет нестабильной. Плата же управления, имеющая гальваническую развязку от нагрузки посредством оптрона, работает с управляющим напряжением в диапазоне от 12V и до 5V. Но вот беда. Рабочее напряжение WeMos D1 R2 Mini Pro составляет всего 3.3V. Да и по силе тока, требуемой для активации реле, параметры портов WeMos (и соответственно ESP8266) находятся на грани.

В таком случае управлять платой управления реле с микроконтроллера можно только при помощи внешнего ключа: транзистора или маломощного реле.

Самый простой способ управления подобной нагрузкой — использование транзистора. С его помощью можно небольшим напряжением и малой силой тока коммутировать подачу более высокого напряжения с большей силой тока от внешнего источника на вход управления платы реле.

схема, транзистор, резистор, нагрузка

Подключение транзистора

Для подобной схемы управления может быть применена широкая номенклатура NPN-транзисторов, например, BC547BTA или BC337-40. Однако следует учитывать, что управление тут будет инверсированным. Без подачи напряжения с порта WeMos управляющий сигнал на плату реле будет подаваться, а для его отключения следует подать высокий уровень с порта микроконтроллера. Что не очень удобно в момент запуска всей схемы, параллельно с которой может работать и нагрузка. При перезагрузке микроконтроллера его порты могут принимать произвольные состояния, вплоть до неопределенных, что явно не пойдет на пользу стабильности всей системы.

Поэтому я пошел немного другим путем. Известно, что плата управления реле имеет гальваническую развязку между нагрузкой и входом управления. Наличие такой развязки, с одной стороны приятно греет душу, в случае чего, электроника управления останется целой, но с другой — ведь все запитывается от одного источника питания и в случае чего, прахом пойдет абсолютно все. Но суть не в этом. Гальваническая развязка построена на основе оптопары, ток на которой определяется по старинке, при помощи токоограничивающего резистора.

плата, резистор 103, светодиод, резистор 232, оптопара GB 328P280, реле

Модификация реле, штатный SMD резистор отключен проволочкой.

И если каким-то образом заменить установленный изначально резистор на плате на другой, то можно попробовать заставить работать схему и от порта WeMos. Именно так я и поступил. SMD-резистор на плате был нейтрализован путем припайки перемычки, а с обратной стороны схемы был добавлен резистор другого номинала. Ведь оптрон есть не что иное, как совокупность излучающего диода и фотоприемника. А диод, насколько мы помним, прибор токовый, поэтому на напряжение ему, по большому счету, все равно (хотя с оригинальным резистором от 3.3V он и не запускался).

Путем такой несложной модификации удалось заставить работать платы с реле напрямую от портов WeMos. Подобную модификацию, кстати, можно проводить над различными платами реле, нужно только разобраться в схеме и понять какие элементы стоит заменить и на что.

Элементы питания

Полученную схему стоит как-то питать от сети переменного тока. В качестве опорного элемента у меня выступает преобразователь на 12V и 3Вт от Hi-Link. Для управления электромеханическим реле как раз и требуется 12V, для сенсоров напряжения можно использовать напряжение в широком диапазоне, начиная от 12V и заканчивая 3.3V, а для платы WeMos можно использовать либо 5V либо 3.3V.

Hi-Link, ac, input, 100-200V ac, 50-60 Hz. output, 12vdc/3w, HLK-PM12

Преобразователь Hi-Link на 12V и 3 Вт

Запитать WeMos, напрямую от преобразователя на 12V нельзя, требуется еще раз понизить напряжение до 5V или же напрямую до 3.3V. Кстати, питание на платы WeMos можно подавать не только через USB-разъем, но и через соответствующие пины на плате. Схемотехника позволяет безболезненно использовать прямые подключения, минуя стабилизаторы на плате. Более того цифровые пины у WeMos вполне толерантны к 5V напряжению.

Таким образом, при разработке схемы питания, я оказался перед некоторой дилеммой: использовать два напряжения в схеме 12V + 3.3V, либо остановиться на варианте с тремя напряжениями 12V + 5V + 3.3V. Ради одного элемента, а его я упомяну в конце настоящей части, я все же остановился на варианте с тремя напряжениями в схеме и для получения напряжения 5V применил настраиваемый DC-DC стабилизатор на основе микросхемы LM2596S.

DC-DC, преобразователь, микросхема, LM2596S, 220,35V,RVT,w103,143C,100,50v,RVT,in-

DC-DC преобразователь на основе LM2596S и регулятором выходного напряжения

Подобная схема показала себя не очень здо́рово в проекте по подключению видеорегистратора к бортовой сети автомобиля. Step-Down преобразователь отлично переваривал все напряжения, что возникали в сети, но в ту же сеть отправлял слишком уж много помех, что негативно сказывалось на качестве радиоприема и отображения картинки на экране магнитолы. А вот в схеме для питания WeMos преобразователь показал себя без каких-либо замечаний. Работает стабильно, помехи не регистрируются.

Сенсоры напряжения

Пожалуй, самая интересная часть реализации проекта — создание сенсоров переменного напряжения. Я отказался от использования самой простой схемы из оптрона и несложной обвязки, в пользу продвинутой схемы с множеством элементов.

схема, ac230v, сенсор переменного тока, детектор напряжения, All resistors are 1/4w

Схема детектора напряжения переменного тока

Автор схемы объясняет общее наличие компонентов как дополнительный обвес, который позволит избавиться от преждевременного выхода всей схемы из строя. Ну и, конечно же, обязательно наличие гальванической развязки между низковольтной и высоковольтной частями. К недостатком данной схемы, а куда без них, я бы отнес присутствие необходимости подключать фазовый и нулевой проводники к соответствующим терминалам устройства. Тем не менее, схема базируется на основе доступных элементов и может быть собрана даже начинающим радиолюбителем (при соблюдении всех правил безопасности при работе с опасным напряжением).

плата, макетная, паячная, пайка, обратная сторона, радиодетали, конденсатор, резситор, диод, оптопара, транзистор, клемники

Одна из реализаций сенсора сетевого напряжения 220V.

Поскольку автор схемы, скорее всего, американец, то и сама схема приведена в соответствие с их нормами маркировки номиналов компонентов, ниже я привожу расшифровку всех используемых элементов в соответствие с тем, что понимают в наших магазинах:

R1: 100R -> 100 Ом ¼ Вт резистор
R2: 470K ¼ Вт резистор
R3: 1K ¼ Вт резистор
R4: 100K ¼ Вт резистор
C1: 100nF/250V = 0.1 мкф конденсатор металлопленочный
C2: 220uF/16V = 220 мкф конденсатор электролитический
D1: 1n4007 диод выпрямительный
ZD1: 5V1/0.5W стабилитрон/диод Зенера напряжение 5.1V мощность 0.5V
PC1: PC817B оптопара

Сборку сенсоров я произвел на перфорированной плате под пайку. У меня было два варианта плат для прототипирования: с отдельными металлизированными отверстиями и с отверстиями, соединенными по три. Как оказалось, удобнее работать с платами с одиночными отверстиями. Схема, реализованная на такой плате, получается более компактной и не требуется дополнительно обходить «лишние» соединения отверстий по три. Соединение между элементами можно осуществлять при помощи тех же ножек самих элементов. А в тех случаях, когда требуется соединить далеко отстоящие друг от друга элементы, можно кинуть и «соплю» (длинный монтажный провод в изоляции).

электроизоляционный, лак, акриловый, Plastik-71, чип и дип, нетто 95 г

Электроизоляционный акриловый лак

При формировании схемы на плате стоит обращать внимание на то, чтобы не было проблем с пересечением отдельных проводников. В любом случае желательно полностью избегать любого пересечения неизолированных проводников. А поскольку в схеме применяется высокое напряжение, потенциально опасное для пользователя, всю плату я дополнительно покрыл токоизолирующим лаком.

Сборка

Прежде чем приступать к сборке всего устройства в корпусе, я собрал его на большой доске с отдельными макетными платами. Таким образом, можно отладить программу микроконтроллера, проверить логику ее работы, проверить правильность предположений о соединении всех отдельных элементов. Заодно все устройство в виде макета было апробировано с реальными электродвигателями, включая аварийный режим. Двигатели отключились, ничего не сгорело. А уже после всего этого я приступил к финальной сборке всего в корпусе.

макетная плата, соединители проводов, реле, датчики напяжения, блок питания, WeMos

Устройство для контроля за насосами на тестовой плате. Идет отладка алгоритмов и взаимодействия компонентов.

Для крепления микроконтроллера WeMos и разводки всех его используемых пинов я использовал двойную базу WeMos Mini. В правую часть впаяна колодка, в нее можно устанавливать микроконтроллер, либо заменять его на новый, в случае выхода из строя основного. А левая часть отдана для подключения многочисленных проводочков, для визуальной красоты, все они подпаяны снизу.

wemos, dualbase, dual base, WeMos.cc, стойки, желтый, латунь.

Двойная площадка для установки WeMos D1 Mini. На площадке 1 будет осуществлена коммутация проводников, а площадка 2 будет использоваться для установки платы. Двойная площадка установлена на латунные штанги и прихвачена болтами М3.

Само устройство собрано в пластиковой распаечной коробке соответствующего размера. Некоторые элементы, не подверженные механическим нагрузкам, оказалось, очень удобно устанавливать на термоклей. Недаром подобной техникой широко пользуются китайские товарищи при сборке любой радиоаппаратуры. Однако такие элементы как реле или же микроконтроллер установлены на специальные втулки и прикручены к ним винтами. В прошлом проекте, по подсчету импульсов газового счетчика, я впаивал втулки в пластик корпуса, но оказалось, что лучше прикручивать втулки через отверстие в корпусе на гайку. Так красивее и надежнее.

платы, реле, сенсоры, датчики, блок питания, HiLink, преобразователь, инвертер, блок питания, двойная площадка WeMos, провода, соединитель, HLK-PM12, Songle SLA-12VDC-SL-C

Устройство для слежения за насосами в собранном виде установлено в пластиковом боксе. Два канала обслуживаются двумя реле Songle SLA-12VDC-SL-C на платах, двумя сенсорами напряжения 220V, преобразователем 220V->12V HiLink HLK-PM12, преобразователем с регулируемым выходом 12V->5V, выводом для подключения температурного датчика, площадкой для подключения платы WeMos D1 Mini.

Соединительные колодки я просто прикрутил саморезами в силовые элементы корпуса — держится надежно. Проводники, а их количество в корпусе впечатляет, желательно собрать в жгуты, например, при помощи пластиковых хомутов, а затем закрепить в корпусе при помощи того же термоклея. Таким образом, они не будут мешаться при сборке и обслуживании прибора, да и выглядит все куда опрятнее.

Глазастый читатель заметит, что в собранном виде проводников у устройства несколько больше, нежели декламировалось ранее. Всё верно. Поскольку, после подключения двух реле и сенсоров переменного тока, у WeMos еще остается несколько незадействованных выводов, то разумно их было бы тоже использовать. По задумке к устройству должен быть дополнительно подключен сенсор DHT22, хоть я их и не люблю, для грубой оценки температур и влажности в подполе, а пучок проводов, уходящих в отверстие корпуса, предназначены для подключения LCD-дисплея для отображения оперативной информации об устройстве. И именно для дисплея используется опорное напряжение в 5V.

Читайте далее: Автоматическая система контроля насосов — необычное решение необычной задачи с микроконтроллером ESP8266. Часть 3. Колдуем над прошивкой.
Читайте предыдущее: Автоматическая система контроля насосов — необычное решение необычной задачи с микроконтроллером ESP8266. Часть 1. Постановка задачи.



Автоматическая система контроля насосов — необычное решение необычной задачи с микроконтроллером ESP8266. Часть 2. Воплощение в железе.: Один комментарий

  1. Уведомление: Автоматическая система контроля насосов — необычное решение необычной задачи с микроконтроллером ESP8266. Часть 3. Колдуем над прошивкой. | Мн

Добавить комментарий