РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОНИКИ

Терморегулятор с дистанционным управлением по «MODBUS»

Терморегулятор предназначен для измерения температуры и автоматического управления нагревателем. Полученные в результате измерения данные, состояние нагревателя, а также прочие настройки и параметры передаются на компьютер, где соответствующее программное обеспечение принимает их и отображает в виде, удобном для работы.

 

 

Компьютерная программа позволяет выполнять все настройки, предусмотренные для данного устройства, за исключением изменения адреса устройства. Используется интерфейс связи с компьютером - RS-485 «Modbus RTU», выполненный с гальванической развязкой со стороны устройства «Термостат TH-M-2».

 

Принципиальная схема трехканального терморегулятора с дистанционным управлением по MODBUS

 

 

Разработка электроники для этого устройства выполнена с использованием микроконтроллера ATxmega128A3U-AU. Для снятия показаний с платиновых датчиков температуры использованы аналого-цифровые преобразователи AD7792BRUZ. Вход токовой петли имеет гальваническую развязку, построенную на оптической паре H11L1. Схема входных аналого-цифровых преобразователей, температурные датчики, линии питания датчиков и стабилизатор питания этой схемы, построенный на LP2985AIM5-5.0, гальванически развязаны от микроконтроллера для исключения сбоев в работе, вызванных различными наводками, статическим электричеством и прочими подобными факторами. Гальваническую развязку обеспечивают микросхемы ADUM1401, ADUM1200 и импульсный преобразователь напряжения P6AU-0505ELF. Выход аналоговой токовой петли (4-20mA) построен на микросхеме AD5410AREZ. Гальваническая развязка данного выхода обеспечивается микросхемами ADUM1400, ADUM1200 и преобразователем питания P6AU-0524ELF. Выход аварийного сигнала построен на реле TRR-1A-05-S-00-R. В качестве 6-ти разрядного светодиодного дисплея использованы два семи-сегментных индикатора E30361-L, имеющие по три разряда цифр.

 

 

Программа дистанционного управления терморегулятором

 

 

 

Пакеты передаваемых и принимаемых данных представляют собой последовательность байтов, в соответствии с протоколом «Modbus RTU». В конце передается контрольная сумма (CRC-16), которая используется для обнаружения ошибок передачи данных по линии связи. Физические параметры связи интерфейса RS-485:

 

• Скорость связи, бит/сек. ------------- 9600
• Наличие бита паритета, да/нет --- нет
• Количество стоп-бит ------------------- 2
• Линия связи -------------------------------- витая пара

 

Программирование собственного адреса устройства производится следующим образом. Выполняется широковещательная передача (с адресом приемника равным 0x00), MODBUS-функция «0x06» и адрес переменной 0х0000. Таким образом, запрос на начальное изменение адреса блока имеет следующий вид: [0х00] [0х06] [0х00] [0х00] [адрес, например, 0х0001] CRC16, где адрес может принимать значения в диапазоне от 0 до 255 в десятичной системе.

 

Перечень поддерживаемых функций Modbus

 

 

Перечень поддерживаемых стандартных кодов ошибок MODBUS

 

 

Перечень используемых регистров Modbus

 

 

Температурные датчики прибора

 

Устройство имеет три входа для высокотемпературных датчиков Honeywell 700-101BAB-B00. Паспортные пределы измерения датчика: от -70 до +500°С. Датчик аналоговый, платиновый, сопротивление 100 Ом при 0°С, точность 0,12%, имеет антистатический пластиковый корпус с выводами. Возможна замена на 700-101BAA-B00, 701-101BAA-B00, 701-101BAB-B00, 702-101BBB-A00, 703-101BBB-A00. Датчики могут подключаться по 2-х или 4-х проводной схеме включения витыми парами. Схема подключения по 3-х проводной линии не используется. Все три датчика включаются и выключаются раздельно из меню настроек прибора. Отсутствие или неисправность включенного датчика считается ошибкой, и показывается неисправность устройства. На индикаторе вместо температуры появляется надпись «Err» (Error - ошибка) для соответствующего канала, если он выбран для текущего показа. При этом происходит автоматическое выключение данного канала в настройках. Выключенный канал в любом случае не оказывает влияния на управление нагревателем.

 

 

Логика управления нагревателем

 

Для управления нагревателем применяется одно электромеханическое или твердотельное реле. При включении в настройках ПИД режима (пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования), мощность в нагрузке может регулироваться ступенями по 1%. Для изменения мощности используется простой алгоритм, направленный на уменьшение числа срабатываний реле с целью увеличения срока службы прибора: период для распределения времени включения-выключения реле равен 100 секундам, и в этом периоде допускается не более одного цикла включения и выключения реле при любой требуемой средней мощности. «ПИД» предполагает уменьшение средней мощности, подаваемой на нагреватель, по мере приближения температуры объекта к заданной температуре. Кроме того, в установившемся режиме регулирования по «ПИД» закону находится примерная величина тепловой мощности, необходимой для компенсации тепловых потерь и поддержания заданной температуры. Очевидно, что ПИД режим, реализуемый посредством управляющего реле, которое способно включать нагреватель только на 100% мощности, может условно считаться таковым только в системах с очень большой температурной инерционностью. Не следует использовать ПИД режим, если в устройстве установлено электромеханическое реле, так как постоянные включения и выключения приведут к очень быстрой выработке ресурса реле.

 

При включении ПИД режима, для выбранного ПИД канала отсутствует гистерезис включения и выключения (соответствующая настройка не действует). В этом случае используется специальный алгоритм регулирования мощности по ПИД закону. Каждый из двух оставшихся каналов будет просто отключать нагреватель при превышении заданной температуры.

 

Альтернативный метод управления нагревателем предусматривает использование выхода аналоговой токовой петли 4-20mA. При включении ПИД режима в настройках, мощность в нагрузке может регулироваться с точностью 1%. При этом ток петли будет принимать значения в диапазоне от 4 до 20mA, соответствующие требуемой мощности от 0 до 100%.

Если ПИД режим выключен, то для реле, включающего нагреватель, задается значение гистерезиса температуры переключения. Аналоговая токовая петля в этом режиме работает только с двумя значениями мощности 0% и 100% (4mA и 20mA), исключая регулировку мощности. Значение гистерезиса задается индивидуально для каждого из трех каналов измерения температуры. Переход температуры любого включенного датчика через верхнюю границу заданного для него гистерезиса вызывает отключение реле, управляющего нагревателем. Если все включенные датчики перешли нижнюю границу гистерезиса (для каждого датчика эта граница индивидуальна, как уже упоминалось), то реле включается и подает питание на нагреватель.

 

Управление терморегулятором с клавиатуры

 

Принудительно включить нагреватель можно одновременным нажатием кнопок [+] и [->]. На дисплее появляется надпись [-HEAt-]. Выход из режима осуществляется нажатием кнопки [->]. В этом режиме невозможно управление термостатом посредством компьютерной программы.

 

Выбор канала (CH-1, CH-2, CH-3) для показа температуры на левом индикаторе осуществляется кнопкой [–], на правом – кнопкой [+]. На каждом индикаторе последовательно показываются номер выбранного канала с информацией о включении и режиме работы, а затем – температура датчика. Выключенный канал показывается следующим образом – [_X_], включенный канал при обычном методе регулирования – [–X–], включенный канал при ПИД методе регулирования – [¯X¯], включенная автоматическая настройка параметров ПИД регулятора для выбранного датчика – [оXо], где Х может быть 1, 2 или 3 в соответствии с номером выбираемого для показа канала.

 

Вход в меню настроек происходит одновременным нажатием кнопок [–] и [->]. На дисплее будет в течение короткого времени показана надпись [SEtUP], а затем текущий выбранный канал: CH-1. Для входа в меню настроек этого канала следует нажать [->]. Другой канал или общие настройки (CH-1, CH-2, CH-3 или ALL) можно выбрать клавишами [–] и [+], а затем нажать [->] для входа в соответствующее меню настроек.

 

Меню настроек терморегулятора (термостата)

 

После входа в меню настроек канала клавиши приобретают следующие функции, указанные ниже:

 

[->] – переход к редактированию следующего параметра и выход из режима настроек после редактирования последнего параметра, [–] – уменьшение значения, [+] – увеличение значения.

 

В режиме общих настроек (ALL) доступны для изменения следующие параметры:

 

• [Ad-XXX], где ХХХ может принимать значение от 0 до 255 (адрес устройства по протоколу «Modbus RTU»).
• [FL-XXX], где ХXX - может принимать значение ON или OFF (см. описание настройки режима «Fail Mode»).
• [Pd-X], где параметр может принимать значение 0 (ПИД режим выключен) или 1, 2, 3, что соответствует включенному режиму ПИД для соответствующего канала. Формула ПИД функции, определяющая выходную мощность в процентах: U = P + I + D, где P, I, D – пропорциональная, интегральная и дифференциальная составляющие, автоматически вычисляемые на основании температуры, измеряемой датчиком и температуры, заданной для поддержания, с учетом пропорционального коэффициента, а также интегрального и дифференциального периодов;
• [PP-XXX] – (пропорциональный коэффициент, %), где параметр может принимать значение от 0 до 100%, что соответствует повышению или уменьшению мощности на установленный процент с каждым градусом ошибки (при положительном или отрицательном отклонении реальной температуры от температуры, заданной для поддержания). Частота дискретизации ПИД функции – 1 секунда;
• [PI-XXX] – (период интеграции, s), где параметр может принимать значение от 0 до 999 секунд, что соответствует длительности периода интеграции. Обнаруженная в текущем периоде ошибка температуры суммируется со всеми предыдущими ошибками, поднимая или понижая выходную мощность в следующем периоде интеграции на сумму сложенных (накопленных) ошибок. Ошибка и сумма ошибок температур могут иметь положительное или отрицательное значение, тем самым повышая или понижая выходную мощность;
• [Pd-XXX] – (период дифференцирования, s), где параметр может принимать значение от 0 до 999 секунд, что соответствует периоду дифференцирования. Обнаруженная разница температур (между предыдущим периодом и текущим периодом дифференцирования) изменяет выходную мощность на значение обнаруженной ошибки в следующем периоде дифференцирования. Разница температур может иметь положительное или отрицательное значение, тем самым понижая или повышая, соответственно, выходную мощность в следующем периоде дифференцирования;
• [PA-XXX], где параметр может принимать значение OFF (автоматическая настройка параметров для ПИД режима выключена) или On1, On2, On3, что соответствует включенному режиму автоматической настройки параметров ПИД регулирования для соответствующего канала. По окончании процесса настройки этот параметр автоматически сбрасывается в состояние OFF. Об окончании процесса настройки можно судить по изменению признака режима работы: включенная автоматическая настройка параметров ПИД регулятора для выбранного датчика показывается на индикаторе следующими символами – [оXо]. По окончании процесса настройки на индикаторе будет показано: [–X–]. При этом режим ПИД регулирования автоматически не включается, его необходимо включить в настройках самостоятельно, убедившись в том, что автоматически выставленные параметры соответствуют тепловым характеристикам системы.

 

В режиме настроек каналов (CH1, CH2, CH3) доступны следующие параметры:

 

• [Sen On], где параметр может быть On или OFF, что соответствует включенному и выключенному датчику выбранного канала. При отсутствии или неисправности датчика температуры устройство автоматически выключает соответствующий канал, то есть автоматически устанавливается параметр OFF. Канал можно включить вручную, установкой параметра On.
• [HIS XX], где XX может принимать значения от 0 до 20. Этот параметр определяет гистерезис охладителя и нагревателя для текущего канала. Если значение заданной температуры X, то значение гистерезиса Y устанавливает верхнюю границу срабатывания в виде X+Y, а нижнюю границу устанавливает в виде X-Y;
• [Сor X], где X – корректирующая величина для датчика температуры текущего канала. Может принимать значения от -9 до +9 градусов;
• [tSE XXX], Заданная температура нагревателя для текущего канала. Может принимать значения от -55°С до 450°С. Автоматически ограничивается возможность установки запредельного значения поддерживаемой температуры;
• [tHi XXX], где ХХХ – верхняя предельная температура нагревателя для текущего канала. Влияет только на выдачу аварийного сигнала. Может принимать значения от -55°С до 450°С. Автоматически ограничивается возможность установки запредельного значения контролируемой температуры;
• [tLo XXX], где ХХХ – нижняя предельная температура нагревателя для текущего канала. Влияет только на выдачу аварийного сигнала. Может принимать значения от -55°С до 450°С. Автоматически ограничивается возможность установки запредельного значения контролируемой температуры.

 

Светодиодные индикаторы состояния прибора

 

Под дисплеем расположены четыре светодиода разных цветов свечения, имеющих следующее назначение:

 

• Зеленый – показывает нормальный запуск прибора в рабочий режим;
• Синий – индицирует наличие обмена данными по порту RS-485;
• Желтый – показывает включение нагревателя;
• Красный – означает остановку работы прибора и отключение нагревателя.

 

Схема внешних подключений к терморегулятору

 

 

Прочие функции и особенности прибора

 

• Все установленные значения настроек этого прибора запоминаются в энергонезависимой памяти и сохраняются при выключении питания устройства;
• Значения температуры везде используются с точностью 1°С;
• Все входные и выходные цепи прибора гальванически развязаны от микроконтроллера, что позволяет исключить сбой программы при попадании на них статического разряда;
• Все низковольтные цепи питания прибора защищаются тремя параллельно включаемыми стабилитронами. Все входные цепи температурных датчиков защищены стабилитронами, что обеспечивает надежную защиту от статического электричества, как электронных компонентов самого прибора, так и платиновых температурных датчиков.
• Периодически (через небольшие промежутки времени) производится автоматический сброс и повторная инициализация АЦП, что позволяет исключить сбои в работе АЦП, вызванные мощными электромагнитными помехами или разрядом статического электричества;
• При зависании программы сторожевой таймер (WDT) выполняет полный аппаратный перезапуск микроконтроллера через 8 секунд. Отсутствие нажатий на кнопки, после входа в меню настроек, в течение 8 секунд, также приводит к перезапуску микроконтроллера. При этом выполненные настройки не будут сохранены в памяти устройства, прибор перейдет к использованию прежних настроек;
• Все температурные датчики постоянно проверяются на обрыв и короткое замыкание. При обнаружении неисправности, как уже было описано ранее, соответствующий канал выключается. Выдается сигнал аварии. После восстановления нормального состояния датчика, автоматически отключившийся канал будет автоматически включен через 10 секунд, а сигнал аварии будет снят. Каналы, выключенные вручную через меню настроек, автоматически не включаются. Если после автоматического отключения канала было выключено питание устройства, то отключенный канал будет включен автоматически после восстановления питания и нормальной работы в течение 10 секунд. Работа нагревателя при возникшей неисправности одного из датчиков может быть полностью запрещена настройкой режима «Fail Mode», в этом случае прибор выключает нагреватель и зажигает светодиод «работа остановлена»;
• Входы микроконтроллера, используемые для подключения кнопок, дополнительно защищены от статических разрядов резисторами с достаточно большим сопротивлением. В программе микроконтроллера реализован алгоритм защиты от дребезга контактов кнопок и от электромагнитных помех, наводимых на провода, идущие к контактам кнопок. Случайный импульс длительностью до 4 полупериодов сети на входах микроконтроллера, подключенных к кнопкам, не должен вызывать никакой реакции прибора;
• В приборе имеется цифровой управляющий вход для аварийного отключения нагревателя (вход «цифровая токовая петля»). Этот вход не требует подключения внешнего питающего напряжения или подачи внешнего управляющего тока, так как для контроля цепи используется внутренний источник питания напряжением 5V. Вход рассчитан на непосредственное подключение контактов тумблера, выхода микросхемы оптической развязки, электромеханического или твердотельного реле. Вход имеет гальваническую развязку от основной схемы (микроконтроллера) и соответствует требованиям искробезопасного исполнения. Прибор нормально функционирует при коротком замыкании этого входа (максимальный ток ограничен на уровне 20mA), а при размыкании – нагреватель полностью выключается, и зажигается светодиод «работа остановлена»;
• Прибор имеет выход типа «сухой контакт» для аварийной сигнализации. Для этой цели используется компактное герконовое реле типа TRR-1A-05-S-00-R или аналогичное (максимальное коммутируемое напряжение 100V, коммутируемый ток 1А) с нормально разомкнутыми контактами. Аварией считается любая неисправность любого из включенных в работу датчиков, а также выход температуры за пределы регулирования, отдельно определяемые в меню настроек для каждого канала;
• Для получения возможности управления нагревателем посредством внешних регуляторов мощности, в разрабатываемом приборе имеется выход типа «аналоговая токовая петля» по стандарту 4-20mA с внутренним источником питания напряжением 24V. Этот выход имеет гальваническую развязку от основной схемы (микроконтроллера), защиту от коротких выбросов напряжения, защиту от повреждения при коротком замыкании петли. При токе в петле 4mA нагреватель должен быть полностью выключен, а при токе 20mA – включен на полную мощность. Таким образом, при значениях тока от 4 до 20mA будет происходить плавная регулировка мощности, отдаваемой на нагреватель через внешний регулятор мощности.

 

Методика автоматической настройки коэффициентов ПИД-регулирования температуры

 

Наиболее простой закон регулирования температуры - позиционный. При этом методе, используемом в обычных терморегуляторах, на нагреватель подается полная мощность до достижения заданного значения температуры, после чего подача мощности прекращается. Несмотря на это, разогретый нагреватель продолжает отдавать тепло и температура объекта какое-то время продолжает нарастать, что приводит к перегреву, иногда значительному. При последующем остывании объекта, по достижении заданного значения температуры, на нагреватель вновь подается полная мощность. Нагреватель сначала разогревает себя, затем окружающие области объекта, и, таким образом, охлаждение будет продолжаться до тех пор, пока волна тепла не достигнет датчика температуры. Следовательно, реальная температура может оказаться значительно ниже заданного значения. Таким образом, при позиционном законе регулирования возможны значительные колебания температуры около заданного значения. Этот недостаток можно уменьшить или даже вовсе устранить, применяя пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования (ПИД закон). ПИД закон предполагает уменьшение мощности, подаваемой на нагреватель, по мере приближения температуры объекта к заданной температуре. Кроме того, в установившемся режиме регулирования по ПИД закону находится величина тепловой мощности, необходимой для компенсации тепловых потерь и поддержания заданной температуры. Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования обеспечивает значительно более высокую точность поддержания температуры, чем позиционный.

 

Для того чтобы достичь высокого качества регулирования температуры необходимо правильно настроить регулятор – задать три параметра: P, Ti, Td. Где P - мощность в процентах на каждый градус отклонения от заданной температуры, Ti – период интегрирования в секундах, Td – период дифференцирования в секундах. Параметры ПИД регулирования в приборе могут быть найдены автоматически (при запуске режима автоматической настройки), но также могут быть заданы наладчиком оборудования в режиме ручной настройки прибора. Нахождение и точная настройка параметров могут потребовать от наладчика определенных знаний и наличия опыта в правильной настройке приборов ПИД регулирования. Рекомендации и разные методики по настройке даются в специальной технической и научной литературе.

 

При запуске режима автоматической настройки прибор за некоторое время может самостоятельно вычислить и задать нужные параметры (P, Ti, Td). Для этого используется простая методика, обеспечивающая достаточно быстрое и довольно верное нахождение коэффициентов для систем с разной тепловой инерционностью.

 

 

• Для исключения перегрева системы, на время проведения автоматической настройки, можно назначить поддерживаемую температуру (Тус) равной 70-90% от требуемой температуры, если перегрев во время настройки нежелателен.

• На время настройки, для автоматического анализа характеристик системы, включается простой позиционный режим регулирования, действующий по описанному выше алгоритму.

• В установившемся режиме колебаний температуры прибор измеряет период τ колебаний температуры (время между соседними максимальными или минимальными значениями температуры в секундах), а также полный размах колебаний температуры ΔТ=Тmax-Тmin (разность максимального и минимального значений температуры в секундах).

• Прибор вычисляет и автоматически устанавливает в своих настройках параметры (P, Ti, Td) для достижения оптимальных характеристик поддержания заданной температуры.

 

Примечание: автоматическая настройка проводится по одному любому датчику температуры, выбираемому для ПИД-регулирования (из трех датчиков температуры, имеющихся в приборе).

 

Проект N47. Разработка электроники для терморегулятора с дистанционным управлением, предназначенного для промышленного применения, выполнена Александром Петровичем Протопоповым, г. Москва, сайт автора: https://razrabotka.pro.