МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РОЗЖИГА ГОРЕЛКИ И ГОРЕНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК F23N5/24 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к управлению горелками в котельных, печах и т.д.

Известно устройство автоматического управления розжигом горелки, которое включает в себя соединенные жесткой логикой элементы для выполнения розжига горелки [1, 2, 3] . Недостатком данных устройств является то, что в силу выполнения устройств на логических элементах снижается надежность за счет большого количества элементов и их монтажа, а также отсутствует возможность простого сопряжения с ЭВМ.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для автоматического управления розжигом горелки, содержащее горелку, отсечной клапан, датчик наличия пламени, высоковольтный блок, формирователь команды "Пуск", набор логических элементов; все элементы соединены между собой жесткой логикой для выполнения розжига горелки и контроля наличия пламени [4].

Недостаток известного устройства заключается в том, что реализация логических функций на элементах жесткой логики приводит к существенному нарастанию их числа по сравнению с примененными, не обеспечивая при этом следующих важных задач в управлении:
- контроля за состоянием работоспособности отдельных блоков, что может привести к розжигу горелки при несоблюдении требований безопасности функционирования;
- возможности дистанционного управления горелкой и группового управления горелками, что объясняется отсутствием в прототипе блока связи с ЭВМ верхнего уровня;
- возможности алгоритмической синхронизации процесса управления ввиду отсутствия в прототипе микроконтроллера и блока связи с ЭВМ верхнего уровня, в результате чего невозможно изменять режим работы горелки по гибкой программе.

Изобретение направленно на повышение надежности контроля за процессом розжига и горения горелки, улучшение качества управления газовой горелкой, включая дистанционное управление, а также на расширение функциональных возможностей системы управления за счет введения элементов для применения устройства в различных объектах автоматизации.

Это достигается тем, что в микроконтроллерное устройство автоматического контроля и управления розжигом горелки, включающее горелку, устройство для запуска, отсечной клапан, датчик наличия пламени, высоковольтный трансформатор, согласно предлагаемому решению введены микроконтроллер, связанный через его нулевую линию (по нулевому разряду) нулевого порта с устройством для запуска, выполненного в виде кнопки "Пуск" устройства, а через его нулевую (по нулевому разряду), первую (по первому разряду), вторую (по второму разряду) и третью (по третьему разряду) линии первого порта связанный соответственно с первыми входами блока управления высоковольтного трансформатора, блока управления отсечным клапаном, блока коммутации двигателя нагнетания воздуха и блока управления подачей питания, вторые выходы которых соединены соответственно с блоками диагностики высоковольтного трансформатора, отсечного клапана, двигателя и подачи питания, а выходы блоков диагностики связаны с микроконтроллером через его первую (по первому разряду), вторую (по второму разряду), третью (по третьему разряду) и четвертую (по четвертому разряду) линии нулевого порта соответственно. Первый выход блока управления подачей питания соединен со следующими входами элементов устройства:
- с вторым входом блока управления высоковольтным трансформатором, связанного своим первым выходом с входом (первичной обмоткой) высоковольтного трансформатора, выход (вторичная обмотка) которого соединен с розжиговым электродом, установленным в сопле горелки;
- с вторым входом блока коммутации двигателя нагнетания воздуха, соединенного своим первым выходом с двигателем нагнетания воздуха;
- с входом датчика давления воздуха;
- входом датчика давления газа, выход которого соединен с входом блока диагностики датчика давления газа, связанного своим выходом по пятой линии (по пятому разряду) нулевого порта с микроконтроллером;
- с вторым входом блока управления отсечным клапаном, первый выход которого соединен с входом отсечного клапана, при этом выход датчика давления воздуха связан с входом блока его диагностики, соединенного своим выходом по шестой линии (по шестому разряду) нулевого порта с микроконтроллером, а электрод датчика наличия пламени, установленный в сопле горелки, соединен с входом блока регистрации наличия пламени и диагностики ложного срабатывания, выход которого связан через седьмую линию (по седьмому разряду) нулевого порта с микроконтроллером. Микроконтроллер соединен через третий его порт с блоком связи с ЭВМ верхнего уровня. Первая линия (по первому разряду) этого порта является соединением выхода микроконтроллера с входом блока связи, а нулевой линией (по нулевому разряду) этого порта микроконтроллер связан своим входом с первым выходом блока связи с ЭВМ верхнего уровня, второй выход которого связан двухпроводной витой парой с ЭВМ верхнего уровня. Для питания устройства служит стандартный источник питания, путем соединения нуля и фазы источника с вторым и третьим входами блока управления подачей питания, а постоянное напряжение источника служит питанием микроконтроллера и других элементов схемы.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: блоком управления подачей питания, блоком диагностики подачи питания, блоком диагностики ложного срабатывания и регистрации наличия пламени, блоком управления высоковольтным трансформатором, блоком диагностики высоковольтного трансформатора, двигатель нагнетания воздуха, блоком коммутации двигателя нагнетания воздуха, блоком диагностики двигателя нагнетания воздуха, датчик давления воздуха, блоком диагностики датчика нагнетания воздуха, блоком управления отсечным клапаном, блоком диагностики отсечного клапана, датчик давления газа, блоком диагностики датчика давления газа, микроконтроллер, блоком связи с ЭВМ верхнего уровня, и их связями с остальными элементами конструкции. Заявляемая совокупность признаков предложена впервые, что соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что блоки диагностики, управления, связи с ЭВМ верхнего уровня известны.

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство для контроля и управления процессом розжига горелки и горением, вышеуказанные блоки позволяют повысить надежность контроля за процессом розжига и горения горелки, улучшить качество управления газовой горелкой, а также позволяет расширить функциональные возможности системы управления. Это обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображено микроконтроллерное устройство автоматического контроля и управления процессом розжига горелки и горением; на фиг.2 изображен блок диагностики ложного срабатывания и регистрации наличия пламени и его соединения; на фиг.3 изображены связи между блоком управления, блоком диагностики и исполнительным элементом (нагрузкой).

Микроконтроллерное устройство автоматического контроля и управления розжигом горелки (фиг.1) содержит кнопку "Пуск" устройства 1, блок управления подачей питания 2, блок диагностики подачи питания 3, блок диагностики ложного срабатывания и регистрации наличия пламени 4, электрод датчика наличия пламени 5, розжиговый электрод 6, высоковольтный трансформатор 7, блок управления высоковольтным трансформатором 8, блок диагностики высоковольтного трансформатора 9, двигатель нагнетания воздуха 10, блок коммутации двигателя нагнетания воздуха 11, блок диагностики двигателя нагнетания воздуха 12, датчик давления воздуха 13, блок диагностики датчика давления воздуха 14, отсечной клапан 15, блок управления отсечным клапаном 16, блок диагностики отсечного клапана 17, датчик давления газа 18, блок диагностики датчика давления газа 19, микроконтроллер 20, блок связи с ЭВМ верхнего уровня 21, горелку 22.

Линии связи (фиг. 1) микроконтроллера 20 с периферийными устройствами обозначим как - РХ. У. Здесь РХ - признак порта микроконтроллера, где Х - цифра, указывающая на номер порта (например, Р1 - первый порт микроконтроллера), а У - цифра, указывающая номер линии (разряда) порта (например, Р3.1 - первая линия (первый разряд) третьего порта).

Устройство работает следующим образом. Если микроконтроллер 20 по линии Р0.0 получает сигнал о том, что была нажата кнопка "Пуск" устройства 1 или если микроконтроллер 20 получает по линии Р3.0 сигнал на розжиг горелки от блока связи с ЭВМ верхнего уровня 21, устройство начинает свою работу в соответствии с алгоритмом, запрограммированным в микроконтроллере 20.

Вначале микроконтроллер 20 считывает сигнал о работоспособности блока управления подачей питания 2, анализируя информацию, поступающую по линии связи Р0.4 от блока диагностики подачи питания 3, при наличии напряжения питания производится подача сигнала с микроконтроллера 20 на блок управления подачей питания 2 по линии связи Р1.3, который подает одновременно питающее напряжение на блок управления высоковольтным трансформатором 8, блок коммутации двигателя нагнетания воздуха 11, датчик давления воздуха 13, датчик давления газа 18. После этого микроконтроллер 20 переходит на подпрограммы обработки данных диагностики перечисленных блоков, путем считывания сигналов от блока диагностики высоковольтного трансформатора 9, блока диагностики двигателя нагнетания воздуха 12, блока диагностики датчика давления воздуха 14, блока диагностики датчика давления газа 19 по линиям связи Р0.1, Р0.3, Р0.6, Р0.5 соответственно.

При наличии сигналов с блоков диагностики 3, 9, 12, 14, 19, свидетельствующих об исправности электрических цепей диагностируемых блоков, осуществляют цикл розжига горелки.

Вначале производится цикл продувки системы путем включения двигателя нагнетания воздуха 10 посредством подачи управляющего сигнала от микроконтроллера 20 по линии связи Р1.2 на блок коммутации двигателя нагнетания воздуха 11 и одновременного опроса датчика давления воздуха 13 через блок диагностики датчика давления воздуха 14 по линии связи Р0.6.

После того как время продувки завершилось, что определяется временным интервалом в программе микроконтроллера 20, последний осуществляет опрос датчика давления газа 18 через блок диагностики датчика давления газа 19 по линии связи Р0.5 о наличии достаточного для работы горелки давления газа в магистрали. В случае достаточного давления газа происходит подготовка цепи питания отсечного клапана 15, управляемой блоком 16, через датчик давления газа 18, что приводит отсечной клапан в состояние готовности к функционированию, при этом микроконтроллер 20 осуществляет постоянный анализ работоспособности отсечного клапана 15 через блоки управления 16 и диагностики 17 отсечного клапана по линии связи Р0.2 в течение всего цикла работы горелки.

Одновременно микроконтроллер 20 подает управляющее напряжение на первичную обмотку высоковольтного трансформатора 7 через блок управления трансформатором 8 по линии связи Р1.0, на вторичной обмотке которого возникает высокое напряжение, приложенное между корпусом сопла горелки 22 и розжиговым электродом 6, и при достижении критического значения происходит пробой в виде искры между ними.

В результате работы двигателя происходит нагнетание воздушного давления в сопле горелки 22 и при достижении заданного уровня микроконтроллер снимает запрет на розжиг горелки. После чего происходит подача сигнала управления от микроконтроллера 20 на блок управления отсечным клапаном 16 по линии связи Р1.1, обеспечивающим срабатывание коммутационных цепей отсечного клапана 15 и подачу газа в горелку. Наличие искры в сопле горелки приводит к воспламенению газо-воздушной смеси.

После этого микроконтроллер 20 производит анализ наличия пламени посредством считывания информации по линии связи Р0.7 с блока диагностики ложного срабатывания и регистрации наличия пламени 4, соединенного с электродом датчика наличия пламени 5. В случае наличия пламени микроконтроллер 20 прекращает подачу питания по линии связи Р1.0 на первичную обмотку высоковольтного трансформатора 7. Если по истечении времени розжига, которое определяется временным интервалом в программе микроконтроллера 20, пламя не появляется, то микроконтроллер 20 снимает сигнал с блока управления подачей питания 2 по линии связи Р1.3, при этом закрывается отсечной клапан 15 и отключается двигатель подачи воздуха 10, а программа переходит в цикл ожидания нового запуска.

В случае успешного розжига микроконтроллер 20 постоянно анализирует сигналы со всех блоков диагностики 3, 9, 12, 14, 17, 19 и блока диагностики ложного срабатывания и регистрации пламени 4, при этом все информационные сигналы передаются микроконтроллером 20 на ЭВМ верхнего уровня через блок связи с ЭВМ верхнего уровня 21 по линии связи Р3.1.

Контроль наличия пламени и диагностика блоков продолжается постоянно до тех пор, пока не исчезнет пламя или не выйдет из строя хотя бы один блок. Если пламя погасло или вышел из строя хотя бы один блок, или была нажата кнопка "Пуск" устройства 1, или получен сигнал на гашение горелки от блока связи с ЭВМ верхнего уровня 21, то микроконтроллер 20 снимает сигнал с блока управления подачей питания 2, при этом закрывается отсечной клапан 15 и отключается двигатель подачи воздуха 10, а программа переходит в цикл ожидания нового запуска.

В качестве двигателя подачи воздуха 10 используется асинхронный двухфазный двигатель, который установлен на современных газовых горелках [5].

Датчик давления воздуха 13 и датчик давления газа 18 представляют собой устройства типа сухой контакт.

Связь с ЭВМ верхнего уровня осуществляется микроконтроллером 20 через последовательный интерфейс по двухпроводной витой паре путем предварительного усиления и согласования сигналов по мощности в блоке связи с ЭВМ верхнего уровня 21 [6, 7, 8].

Питание устройства осуществляется от стандартного источника питания [9], путем соединения нуля и фазы источника с вторым и третьим входами блока управления подачей питания. Постоянным напряжением источника запитываются микроконтроллер, а также другие элементы схемы: блок диагностики подачи питания, блок диагностики ложного срабатывания и регистрации наличия пламени, блок управления высоковольтным трансформатором, блок диагностики высоковольтного трансформатора, блок коммутации двигателя нагнетания воздуха, блок диагностики двигателя нагнетания воздуха, блок диагностики датчика давления воздуха, блок управления отсечным клапаном, блок диагностики отсечного клапана, блок диагностики датчика давления газа, блок связи с ЭВМ верхнего уровня.

Так как в датчике наличия пламени используется эффект протекания ионизационного тока при наличии пламени между электродом 5 и корпусом сопла горелки, то возможно ложное срабатывание датчика, наступающее в результате короткого замыкания электрода 5 с корпусом сопла горелки, что может возникнуть, например, в случае падения электрода на корпус при перегорании (утончении) электрода 5. Для диагностики указанного явления применен блок диагностики ложного срабатывания и регистрации наличия пламени, один из возможных вариантов построения которого изображен на фиг.2. Данный блок соединен с электродом датчика наличия пламени 5, корпусом сопла горелки 22 и состоит из компаратора 23, элемента гальванической развязки 24, электрической цепочки задания смещения. Электрод датчика наличия пламени 5 соединен с неинвертирующим входом компаратора 23, инвертирующий вход которого через электрическую цепочку задания смещения соединен с соплом горелки 22. Сигнал от компаратора 23 через элемент гальванической развязки 24 подается для анализа в микроконтроллер 20 по линии связи Р0.7.

На инвертирующий вход компаратора подается смещение через электрическую цепочку, в результате которого потенциал на этом входе становится выше, чем на неинвертирующем входе, который соединен с электродом датчика наличия пламени, поэтому при отсутствии пламени на выходе компаратора держится логический "0". При появлении пламени между электродом 5 и корпусом сопла горелки протекает ионизационный ток, в результате чего потенциал на неинвертирующем входе становится выше, чем на инвертирующем входе, поэтому на выходе компаратора образуется логическая "1", соответствующая наличию пламени. Если электрод 5 касается корпуса горелки, то на выходе компаратора держится логический "0", так как ионизационный ток между электродами отсутствует, что соответствует сигналу об отсутствии пламени.

Исполнительные элементы устройств 7, 10, 15 (первичная обмотка высоковольтного трансформатора, обмотки двигателя, обмотка электромагнита отсечного клапана), расположенных на горелке 22, представляют собой электрическую нагрузку для блоков 8, 11, 16. Поскольку блок управления подачей питания 2 обеспечивает подачу питающего напряжения на вышеперечисленные блоки, то последние в свою очередь являются нагрузками для блока управления подачей питания. Как видно, каждый из каналов управления и диагностики (канал управления высоковольтным трансформатором, канал коммутации двигателя, канал управления отсечным клапаном) содержит однотипные блоки (управления, диагностики, нагрузки), что позволяет выполнить схемную реализацию этих каналов по идентичной структуре, один из возможных вариантов построения которой изображен на фиг.3. На вход оптронной развязки 26, через RC-цепь, подается фаза, при этом первый выход оптронной развязки соединен с входом нагрузки (соответствующего исполнительного элемента) 27, выход которого соединен с нулем, а второй выход оптронной развязки 26 соединен с входом через соответствующий порт микроконтроллера 20, выход которого соединен со вторым входом соответствующего блока управления исполнительным элементом 25, на первый вход которого подается фаза, а выход соединен с входом нагрузки (соответствующего исполнительного элемента) 27. Существующие связи между блоком управления, блоком диагностики и нагрузкой (исполнительным элементом) образуют электрическую цепь, состоящую из RC-цепи, оптронной развязки 26 блока диагностики, связанной своим выходом с микроконтроллером 20, блока управления исполнительным элементом 25, нагрузки (исполнительного элемента) 27. Благодаря наличию данной цепи на выходе оптронной развязки 26, связанной с микроконтроллером 20, формируются импульсы, считываемые последним, скважность которых зависит от постоянной времени RC цепи и от сопротивления нагрузки. Если при подаче напряжения питания на выходе блока диагностики формируются импульсы заданной скважности, то это сигнализирует об исправности цепей нагрузки. В случае короткого замыкания в цепи нагрузки на выходе блока диагностики формируются импульсы другой скважности вследствие того, что сопротивление нагрузки изменилось. При обрыве цепи нагрузки на выходе блока диагностики импульсы не формируются.

Таким образом, использование предлагаемого микроконтроллерного устройства автоматического контроля и управления процессом розжига горелки и горением позволяет по сравнению с существующим прототипом повысить надежность контроля за процессом розжига и горения горелки, расширить функциональные возможности системы управления, а также существенно снизить количество элементов в устройстве за счет того, что вместо логических элементов используется микроконтроллер.

Список используемой литературы:
1. Авторское свидетельство СССР 1084544, кл. F 23 N 5/24.

2. Авторское свидетельство СССР 1495580, кл. F 23 N 5/24.

3. Авторское свидетельство СССР 1495581, кл. F 23 N 5/24.

4. Авторское свидетельство СССР 1477992, кл. F 23 N 5/24 (прототип).

5. Токарев Б. Ф. Электрические машины. Учеб. пособие для ВУЗов. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

6. Сташин В. В., Урусов А.В., Малогонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристалльных микроконтроллерах. - М.: Энергоиздат, 1990.

7. Хвощ С.Т. Микропроцессоры и МикроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник/ С.Т. Хвощ, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов./ Под общ. ред. С.Т. Хвоща. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1987.

8. Бродин В.Б., Шагурин И.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. - М.: Издательство ЭКОМ, 1999.

9. Шрайбер Б. 300 схем источников питания. Выпрямители. Импульсные источники питания. Линейные стабилизаторы и преобразователи: Пер. с фр. - М.: ДМК Пресс, 2001.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к управлению горелками в котельных, печах и т.д. Микроконтроллерное устройство автоматического контроля и управления процессом розжига горелки и горением состоит из горелки, устройства для запуска, отсечного клапана, датчика наличия пламени, высоковольтного трансформатора. В устройство введены микроконтроллер, связанный через его нулевую линию (по нулевому разряду) нулевого порта с устройством для запуска, выполненного в виде кнопки "Пуск" устройства, а через его нулевую (по нулевому разряду), первую (по первому разряду), вторую (по второму разряду) и третью (по третьему разряду) линии первого порта связанный соответственно с первыми входами блока управления высоковольтного трансформатора, блока управления отсечным клапаном, блока коммутации двигателя нагнетания воздуха и блока управления подачей питания, вторые выходы которых соединены соответственно с блоками диагностики высоковольтного трансформатора, отсечного клапана, двигателя и подачи питания, а выходы блоков диагностики связаны с микроконтроллером через его первую (по первому ряду) и четвертую (по четвертому ряду) линии нулевого порта соответственно. Микроконтроллер соединен через третий его порт с блоком связи с ЭВМ верхнего уровня. Первая линия (по первому разряду) этого порта является соединением выхода микроконтроллера с входом блока связи, а нулевой линией (по нулевому разряду) этого порта микроконтроллер связан своим входом с первым выходом блока связи с ЭВМ верхнего уровня, второй выход которого связан двухпроводной витой парой с ЭВМ верхнего уровня. Питание всего устройства осуществляется от стандартного источника питания, путем соединения нуля и фазы источника со вторым и третьим входами блока управления подачей питания, а постоянным напряжением источника запитываются микроконтроллер и другие элементы схемы. Изобретение направлено на повышение надежности контроля за процессом розжига и горения горелки, улучшения качества управления газовой горелкой, а также на расширение функциональных возможностей системы управления за счет введения новых элементов. 3 ил.

Микроконтроллерное устройство автоматического контроля и управления процессом розжига горелки и горением, содержащее горелку, устройство для запуска, отсечной клапан, датчик наличия пламени, высоковольтный трансформатор, отличающееся тем, что оно содержит микроконтроллер, связанный через его нулевую линию нулевого порта с устройством для запуска, выполненного в виде кнопки "Пуск" устройства, а через его нулевую, первую, вторую и третью линии первого порта связанный соответственно с первыми входами блока управления высоковольтного трансформатора, блока управления отсечным клапаном, блока коммутации двигателя нагнетания воздуха и блока управления подачей питания, вторые выходы которых соединены соответственно с блоками диагностики высоковольтного трансформатора, отсечного клапана, двигателя и подачи питания, а выходы блоков диагностики связаны с микроконтроллером через его первую, вторую, третью и четвертую линии нулевого порта соответственно, при этом первый выход блока управления подачей питания соединен с вторым входом блока управления высоковольтным трансформатором, связанного своим первым выходом с входом высоковольтного трансформатора, выход которого соединен с розжиговым электродом, установленным в сопле горелки; с вторым входом блока коммутации двигателя нагнетания воздуха, соединенного своим первым выходом с двигателем нагнетания воздуха; с входом датчика давления воздуха и входом датчика давления газа, выход которого соединен с входом блока диагностики датчика давления газа, связанного своим выходом по пятой линии нулевого порта с микроконтроллером; с вторым входом блока управления отсечным клапаном, первый выход которого соединен с входом отсечного клапана, при этом выход датчика давления воздуха связан с входом блока его диагностики, соединенного своим выходом по шестой линии нулевого порта с микроконтроллером, а электрод датчика наличия пламени, установленный в сопле горелки, соединен с входом блока регистрации наличия пламени и диагностики ложного срабатывания, выход которого связан через седьмую линию нулевого порта с микроконтроллером, соединенными через третий его порт с блоком связи с ЭВМ верхнего уровня, причем первая линия является соединением выхода микроконтроллера с входом этого блока, а нулевой линией микроконтроллер связан своим входом с первым выходом блока связи с ЭВМ верхнего уровня, второй выход которого связан двухпроводной витой парой с ЭВМ верхнего уровня, для питания устройства служит стандартный источник питания путем соединения нуля и фазы источника с вторым и третьим входами блока управления подачей питания, а постоянное напряжение источника служит питанием микроконтроллера и других элементов схемы.