Příloha č. 1
Prototyp mikroprocesorově řízeného žíhacího zdroje s vysokou spolehlivostí multiprocesů využívající moderních polovodičových prvků (popis jednotlivých bloků)
Úvod Žíhací zdroj slouží pro řízené náhřevy materiálů. Tento žíhací zdroj má standardně 6 samostatných topných výstupů, každý výstup je řízený PID regulátorem. Teplota, je pro každý okruh, snímána samostatným termočlánkem typu K. Konstrukčně je zařízení určeno pro předehřevy kovových materiálů při svařování a pro žíhání na snížení pnutí po svařování, případně i pro jiné druhy žíhání. Lze s ním však provádět i např. náhřevy kovových otvorů pro vkládání čepů s přesahem, vysušovat lokální vyzdívky, či je používat pro všechny činnosti, kde potřebujeme řízeně ohřívat materiál či médium, a to do teplot až 1100°C. Žíhací zdroje skupiny firem Svarservis Group jsou standardně nasazovány v elektrárnách po celé ČR při opravách či budování nových parovodů, turbínových skříní apod., v podnicích lehkého i těžkého strojírenství, jako např. Škoda jaderné strojírenství a.s., Škoda Power a.s., Vítkovice a.s., Třinecké železárny a.s., Excon Steel a.s., ZVU Potez a.s., Bronswerk a.s., BIS Czech a.s. a mnoha jiných, v rafineriích v Kralupech nad Vltavou a v Litvínově při poruchách, plánovaných opravách i zarážkách, ale i v mnoha malých podnicích po celé ČR.
Popis jednotlivých bloků žíhacího zdroje Žíhací zdroj tvoří několik důležitých bloků, mezi které patří především: -
Napájení a jištění,
-
PID regulátor,
-
nastavení proudu,
-
režim provozu (AUTO/MANUÁL),
-
čidlo teploty,
-
řídicí jednotka,
-
stabilizovaný zdroj +12 V, +5 V,
-
budící obvody,
-
výkonový modul,
-
proudové čidlo,
-
zobrazovač proudu.
Na Obr. 1-1 je zobrazeno blokové schéma žíhacího zdroje se zapojenými šesti sekcemi. Na každou sekci může být připojen topný prvek, který tvoří především topné dečky. Analogový signál s čidla teploty je dále zpracován PID regulátorem, který podle zadaných hodnot uživatelem řídí požadavek na aktivaci topných prvků. Nastavování proudu, který teče přes topné prvky, se provádí pomocí potenciometru umístěného na předním panelu žíhacího zdroje. Žíhací zdroj je možné provozovat v režimu AUTO nebo MANUÁL. V režimu AUTO je veškeré řízení v kompetenci PID regulátoru, v režimu MANUÁL potom obsluhy. Blokování jakéhokoliv režimu provozu může pouze blok Termostatický vypínač, který hlídá teplotu chladiče, na kterém jsou připevněny výkonové moduly.
3PEN AC 50Hz 400V / TN-C
Napájení a jištění zdroje
2AC 50Hz 80V / IT 2AC 50Hz 230V / IT Napěťový signál pro synchronizaci
Analogový signál
Režim provozu Auto / Manuál
Topné prvky
Budící obvody
Tyristor 2
Zobrazovač proudu
Výkonový modul
Proudové čidlo
Topné prvky
BLOK
Řídicí jednotka Signál
BLOK
Signál
Řídicí jednotka Signál DRIVE
Digitální signál
signál
Stabilizovaný zdroj
Termostatický spínač
Analogový signál
Analogový
Řídicí jednotka Signál SYNCH
signál
Signál SYNCH
12 VDC Napájení
BLOK
Signál
Proudové čidlo
Režim provozu Auto / Manuál
Stabilizovaný zdroj
Termostatický spínač Tyristor 1
Analogový signál
12 VDC Napájení
Analogový
Stabilizovaný zdroj
Výkonový modul
Nastavení proudu (Potenciometr)
Digitální signál
signál
PID regulátor
Signál SYNCH
Analogový
Analogový signál
Termostatický spínač Tyristor 1
Budící obvody
Tyristor 2
Analogový signál
Zobrazovač proudu
Výkonový modul
Proudové čidlo
Tyristor 1
Budící obvody
Tyristor 2
Analogový signál
Struktura bloku je totožná jako v předchozích sekcích
Nastavení proudu (Potenciometr)
Digitální signál
Režim provozu Auto / Manuál
12 VDC Napájení
Nastavení proudu (Potenciometr)
Čidlo teploty
Šestá sekce
Struktura bloku je totožná jako v předchozích sekcích
PID regulátor
Pátá sekce
Struktura bloku je totožná jako v předchozích sekcích
Analogový signál
Digitální signál
Čidlo teploty
Čtvrtá sekce
Digitální signál
PID regulátor
Signál DRIVE
Analogový signál
Třetí sekce
Digitální signál
Čidlo teploty
Druhá sekce
Signál DRIVE
První sekce
Topné prvky
Topné prvky
Topné prvky
Zobrazovač proudu
Topné prvky
Obr. 1-1 Blokové schéma prototypu žíhacího zdroje
Blok s názvem Budící obvody výkonově posiluje řídicí signál, který vstupuje na jednotlivé tyristory výkonového modulu. Zároveň obsahuje synchronizační obvod, který vyhodnocuje průchody napětí nulou a ve formě digitálního signálu posílá tuto informaci řídicí jednotce. Informace o aktuálně protékajícím proudu topným prvkem je analogově přenášena z proudového čidla do zobrazovače proudu.
PID regulátor EUROTHERM 3208 slouží k přesnému ovládání teploty a dalších procesních veličin spolu s řadou dalších pokročilých funkcí. Regulátor má jednoduchý "QuickStart" kód pro konfiguraci všech funkcí nezbytných pro ovládání procesu. Nastavení zahrnuje vstupní typ snímače, měřicí rozsah, kontrolní možnosti a alarmy. Precizní řízení s konfigurovatelným PID algoritmem dává přesné lineární řízení procesu. Regulátor neustále koriguje drift, což je výhodné pro vysokou stabilitu a rychlé reakce na změny procesu. Základní parametry PID regulátoru: • • • • • • •
Jednoduchý časovač, napájení 100-240V AC, dvojitý čtyřmístný displej (počet desetinných míst konfigurovatelný), univerzální vstup (Pt100, termočlánky, mV/mA), 4 výstupy (funkce konfigurovatelné - topení, chlazení, alarm...), kontaktní vstup, zdroj 24V (max 20mA) pro převodník.
Obr. 1-2 PID regulátor EUROTHERM 3208
Čidlo teploty je zde používán termočlánek typu J. Charakteristika využívaných termočlánků je: • • • •
Přívodní vodiče - 2 x 1,0 mm² délky 100m; Jakostní třída - 0,5 (DIN 43710); Materiál - NiCr-Ni; Izolace - skleněná vlákna.
Obr. 1-3 Termočlánek typu J
Topné prvky – na výstupu mohou být použity různé typy topných prvků: • • • • • •
Žíhací dečky; Žíhací pásy; Roztahovací dečky; Žíhací kabely; Předehřívače; Magnetické topné kazety.
Tyto topné prvky se mohou vhodně kombinovat a řadit do topných sekcí. Firma Svarservis si vyrábí topné prvky sama, dle aktuálních požadavků zákazníka. Základní charakteristika jednoho z typových topných prvků může být následující: • • • • • •
Izolace - keramika z oxidu hlinitého (96%); Topné vodiče - NiCr topné lanko, kvalita 80/20, 19 dílčích žil; Teplota - max. teplota obrobku 1050°C; Výkon - 1,35 / 2,7 kW; Napětí - 30 / 60 V; Velikost proudu - 45 A.
Obr. 1-4 Topná dečka
Obr. 1-5 Topná dečka
Řídicí jednotka tvořená mikroprocesorem AT89LP2052 je zobrazeno na Obr. 1-6 a Obr. 1-7. Mikroprocesor fázově řídí výkonový budič tyristorového modulu pomocí pulzů generovaných na výstup s označením DRIVE. Tyto řídicí pulzy jsou zároveň synchronizované se signálem SYNCH, který vstupuje na pin mikroprocesoru z bloku s názvem Budící obvody. Čas, ve kterém je výstupní signál s označením DRIVE posílán, se řídí na základě změřené hodnoty odporu potenciometru. Pokud je nastavena minimální hodnota potenciometru (0 až 50 Ω), jsou na výstup DRIVE poslány tři řídicí pulzy, každý o šířce 1 us, a to hned po průchodu napětí nulou. Takto je zaručeno, že bude celé výstupní sinusové napětí přivedeno do připojené zátěže. Zvyšující se hodnotou odporu potenciometru se postupně prodlužuje doba, po které jsou až poslány tři řídicí pulzy na výstup DRIVE. Při nastavení maximální hodnoty potenciometru (9,5 kΩ až ∞), nejsou na výstup DRIVE generovány žádné pulzy. Tato situace nastane i v případě, že změřená hodnota odporu neodpovídá měřenému rozsahu, který je nastaven od 0 do 9,5 kΩ. V případě nezapojeného reostatu nejsou rovněž na výstup DRIVE posílány pulzy. Perioda, se kterou se posílají řídicí impulsy, je 10 ms. Mikroprocesor AT89LP2052 je taktován oscilátorem s frekvencí 4,096 MHz. Software se do mikroprocesoru AT89LP2052 nahrává pomocí sériového rozhraní ISP. K tomuto slouží programovací konektor s označením BM07B-SRSS-TB. Hodnota odporu potenciometru se vypočítává na základě měření doby nabíjení kondenzátoru přes rezistor a tento potenciometr. Ke změření doby nabíjení se využívá zabudovaný časovač a komparátor v mikroprocesoru AT89LP2052. Cyklus měření odporu potenciometru se provádí každých 20 ms neustálým porovnávaním hodnoty komparačního napětí, která je nastavena napěťovým děličem na hodnotu 3,1461 V, s aktuální hodnotou napětí na nabíjícím se kondenzátoru. -
Nejdříve se vybije kondenzátor přivedením pinu mikroprocesoru do log. 0.
-
Vynulování časovače a jeho následné spuštění
-
Přivedení pinu mikroprocesoru do stavu vysoké impedance (v tomto okamžiku se začne kondenzátor nabíjet)
-
Pokud hodnota na invertujícím vstupu komparátoru dosáhne stejné hodnoty, která je 3,1461 V, vyvolá se přerušení od komarátoru.
-
Následuje uložení hodnoty časovače a její další softwarové zpracování
Signál s označením BLOK slouží k blokování řídicích pulzů na výstupu DRIVE.
Obr. 1-6 Řídicí jednotka – pohled shora
Obr. 1-7 Řídicí jednotka – pohled zespodu
Budící obvody – Na vstup bloku s názvem Budící obvody je přiveden signál z řídicí desky s označením DRIVE. Úkolem tohoto bloku je galvanicky oddělit a výkonově posílit tento řídicí signál. K tomu se využívá tranzistoru typu MOSFET, který dále spíná proud primárního vinutí budícího transformátoru. Aby se omezily napěťové špiček, vznikajících po vypnutí tranzistoru a demagnetizaci jádra transformátoru, je k primárnímu vinutí připojena sériová kombinace zenerovy a usměrňovací diody. Napájení budícího obvodu je zajištěno z interního napájení 12 V. Galvanické oddělení mezi výkonovými tyristory a řídicí částí je zajištěno budícím transformátorem T1, který má tři vinutí v poměru 1:1:1. Elektrická pevnost mezi jednotlivými vinutími je 4 kV(ac)/1 min. Obvod synchronizace zpracovává vstupní napětí z příslušné fáze primárního vinutí transformátoru žíhacího zdroje a vyšetřuje oblast, kdy dochází k průchodu napětí nulou. Tento okamžik průchodu napětí nulou je vyhodnocován pulzy, které jsou přes galvanické oddělení pomocí optočlenu přiváděny do řídicí desky. Galvanické oddělení obvodu synchronizace, který je galvanicky spojen s primárním vinutím příslušné fáze transformátoru žíhacího zdroje, od řídicí desky je zajištěno optočlenem. Typ optočlenu je PC817 s elektrickou pevností 5 kV(ac)/1 min.
Obr. 1-8 Budící obvody – pohled shora
Obr. 1-9 Budící obvody – pohled zespodu
Stabilizovaný zdroj – je určen pro řídicí obvod tvořený mikroprocesorem AT89LP2052 a pro desku výkonového budiče tyristorového modulu. Napájecí zdroj tvoří oddělovací transformátor snižování napětí (230V/12V AC), usměrňovač, filtrační kondenzátory, 12V stabilizátor a 5V stabilizátor. Jako ochrana proti proudovému přetížení je zde použita vratná polovodičová pojistka. Napěťovou ochranu stabilizátoru 78M12CDT zde zajišťuje obousměrný tranzil, typ P6SMB33CA. Přesáhne-li napětí na vstupu stabilizátoru napětí 33 V, začne se tranzil otvírat a propouštět proud do potenciálu GND. Pokud proud na výstupu usměrňovače přesáhne hodnotu 200mA, zareaguje vratná pojistka a odpojí celou stejnosměrnou stranu zdroje od napájení. Z důvodu eliminace přepětí na primární straně transformátoru je zde zapojen varistor na 275V AC.
