Ввод информации в контроллер с помощью оптронных развязок

В статье рассказывается, как с помощью оптронных развязок осуществить ввод в контроллер дискретной информации с уровнем 220 В. Приведена практическая схема доступная для изготовления в любой электролаборатории.

В технологических процессах достаточно часто приходится контролировать положение движущихся частей механизмов машин. Для этих целей разработаны и успешно применяются концевые выключатели различных конструкций и принципов действия.

Самые простые по конструкции и принципу действия, конечно же, обычные механические выключатели контактного типа: посредством системы механических рычагов, а нередко и целой системы шестерен, приводящей в движение кулачки, замыкается электрический контакт, что может означать конечное или начальное положение механизма.

Кроме контактных концевых выключателей, или как их коротко называют концевиков, широко распространены бесконтактные концевые выключатели. Типичным представителем этого семейства являются концевики типа БВК. Модификаций их достаточно много, поэтому после букв БВК ставятся цифры.

Их работа основана по принципу управляемого релаксационного генератора. Когда в щелевой зазор такого концевика входит металлическая пластина, генерация прекращается и срабатывает выходное реле. Естественно, что вышеупомянутая пластина расположена на той части механизма, положение которого необходимо контролировать. Внешний вид такого концевика показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Бесконтактный путевой выключатель БВК

Кроме датчиков на основе релаксационного генератора применяются датчики индукционные, емкостные, оптические, ультразвуковые и других типов. Но, несмотря на такое разнообразие типов датчиков, и их принципов действия, обычные контактные концевики своих позиций не сдают, и отправлять их в отставку еще рано.

Зачастую механизмы с контактными концевиками входят в автоматизированные системы, работающие под управлением контроллеров. В этом случае информация о положении механизма должна передаваться в контроллер, управляющий работой данного механизма.

Одним из таких механизмов является самая обычная водопроводная задвижка. На ее примере мы и рассмотрим, как передать информацию о ее положении в контроллер. Наиболее просто и надежно это сделать при помощи оптронной развязки. Об этом и будет рассказано в этой статье.

Достаточно часто по телевизору нам показывают, как рабочий крутит большой маховик на большой задвижке, закрывая поток газа или нефти. Поэтому многие даже и не подозревают, что задвижки сейчас не просто механизированные, оснащенные электрическими двигателями, а еще и входят в различные системы автоматического управления.

На рисунке 2 показана упрощенная схема управления задвижкой.

Рисунок 2. Упрощенная схема управления задвижкой

С целью сокращения объема рисунка не показаны собственно силовые контакты, управляющие электродвигателем и сам электродвигатель, а также различные элементы защиты, такие, как автоматические выключатели и тепловые реле. Ведь устройство обычного реверсивного магнитного пускателя прекрасно знает каждый электрик. А уж сколько раз приходилось устранять неисправность простым нажатием кнопки на «теплушке»!!! Но все же назначение некоторых элементов схемы придется объяснить.

На схеме показаны катушки магнитных пускателей К1, К2. При включении К1 происходит открытие задвижки, а при включении К2 закрытие, о чем говорят надписи около катушек. Катушки пускателей, показанные на схеме, рассчитаны на напряжение 220В.

Нормально – закрытые контакты К2 и К1 это стандартное решение для любого реверсивного пускателя – блокировка: когда включен один пускатель другой уже включиться не сможет.

Открытие или закрытие задвижки начинается при нажатии соответствующих кнопок, показанных на схеме. После отпускания кнопок пускатель удерживается во включенном состоянии собственным контактом (блок – контакт). Такой режим работы называется самопитанием. На схеме это нормально разомкнутые контакты К1 и К2.

Несколько выше этих контактов на схеме расположен прямоугольник с контактами внутри и надписью «механизм МСП». Это механизм сигнализации положения (МСП). На нашей схеме задвижка находится в среднем положении, поэтому контакты S1 и S2 замкнуты, что позволяет включить любой пускатель, как на открытие, так и на закрытие.

Механизм МСП представляет собой редуктор, преобразующий многооборотный ход рабочего органа, в данном случае винтовой пары задвижки, в угловое перемещение вала с кулачками. В зависимости от модели МСП этот угол может быть 90…225 градусов. Передаточное отношение редуктора может быть по требованию заказчиков любым, что позволяет наиболее точно настраивать положение кулачков.

Кулачки, расположенные на валу могут поворачиваться на требуемый угол, и закрепляться. За счет этого можно получить различные моменты срабатывания микропереключателей. На нашей схеме это S1…S4. Некоторые модификации МСП кроме микропереключателей содержат индукционный датчик, который выдает аналоговый сигнал об угле поворота вала. Как правило, это токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА. Но этот сигнал мы здесь рассматривать не будем.

Теперь давайте вернемся к нашей схеме. Предположим, что была нажата кнопка открытия. В этом случае задвижка начнет открываться, и будет открываться до тех пор, пока не сработает микропереключатель S1 в механизме МСП. (Если, конечно, прежде этого не будет нажата кнопка «стоп»). Он обесточит катушку пускателя К1 и открытие задвижки прекратится.

Если механизм будет находиться в таком положении, то нажатие на кнопку открытия пускатель К1 включить уже не сможет. Единственное, что может заставить включиться электродвигатель в этой ситуации, это нажатие на кнопку закрытия задвижки. Закрытие будет продолжаться до срабатывания микропереключателя S2. (Либо до нажатия кнопки «Стоп»).

Как открытие, так и закрытие задвижки в любой момент может быть прекращено нажатием кнопки «стоп».

Как уже упоминалось выше, задвижка не вот работает сама по себе, «нажали кнопку, и ушли», а может входить в систему автоматики. В этом случае надо каким-то образом сообщить блоку управления (контроллеру) о положении задвижки: открыта, закрыта, находится в промежуточном положении.

Проще всего это сделать, используя дополнительные контакты, которые, кстати, в МСП уже имеются. На схеме это контакты S3 и S4, оставленные свободными. Только в этом случае возникают дополнительные неудобства и расходы. Прежде всего, это то, что к дополнительным контактам надо провести и дополнительные же провода. А это уже дополнительные расходы.

Дополнительные неудобства сводятся к тому, что приходится настраивать дополнительные кулачки. Эти кулачки называются информационными. На нашей схеме это S3 и S4. Относительно силовых (на схеме это S1 и S2) они должны быть настроены весьма точно: например, информационный концевик говорит контроллеру, что задвижка уже закрылась и контроллер просто отключает задвижку. А она еще и до половины не дошла!

Поэтому на рисунке 3 показано, как получить информацию о положении задвижки используя силовые контакты. Для этой цели можно применить оптронные развязки.

Рисунок 3.

По сравнению с рисунком 2 на схеме появились новые элементы. В первую очередь это контакты промежуточных реле с названиями «реле Откр.», «реле Закр.», «реле Стоп». Нетрудно заметить, что первые два подсоединены параллельно соответствующим кнопкам ручного пульта управления, а нормальнозамкнутые контакты «реле Стоп.» последовательно с кнопкой Стоп. Поэтому в любой момент задвижка может управляться либо нажатием кнопок от руки, либо от блока управления (контроллера) при помощи промежуточных реле. Для упрощения схемы катушки промежуточных реле не показаны.

Кроме этого на схеме появился прямоугольник с надписью «Оптронные развязки». В нем находятся два канала, позволяющие напряжение с концевиков механизма МСП, а это 220В, преобразовать в уровень сигналов контроллера, а также осуществить гальваническую развязку от силовой сети.

На схеме видно, что входы оптронных развязок подключены непосредственно к микропереключателям S1 и S2 механизма МСП. Если задвижка находится в среднем положении (частично открыта) оба микропереключателя замкнуты и на обоих входах оптронных развязок присутствует напряжение 220 В. В этом случае выходные транзисторы обоих каналов будут в открытом состоянии.

Когда задвижка полностью открыта, разомкнут микропереключатель S1, напряжения на входе канала оптронной развязки нет, поэтому выходной транзистор одного канала будет закрыт. То же самое можно сказать и о работе микропереключателя S2.

Принципиальная схема одного канала оптронной развязки показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Принципиальная схема одного канала оптронной развязки

Описание принципиальной схемы

Входное напряжение через резистор R1 и конденсатор С1 выпрямляется диодами VD1, VD2 и заряжает конденсатор С2. Когда напряжение на конденсаторе С2 достигнет напряжения пробоя стабилитрона VD3 заряжается конденсатор С3 и через резистор R3 «зажигает» светодиод оптрона V1, что приводит к открытию транзистора оптрона, а вместе с ним и выходного транзистора VT1. выходной транзистор через развязывающий диод VD4 подключается ко входу контроллера.

Несколько слов о назначении и типах деталей.

Конденсатор С1 работает в качестве безваттного резистора. Его емкостное сопротивление ограничивает входной ток. Резистор R1 предназначен для ограничения броска тока в момент замыкания микропереключателей S1, S2.

Резистор R2 предохраняет от повышенного напряжения конденсатор С2 в случае обрыва в цепи стабилитрона VD3.

В качестве стабилитрона VD3 используется КС515 с напряжением стабилизации 15В. На этом уровне ограничивается напряжение заряда конденсатора С4 и соответственно ток через светодиод оптрона V1.

В качестве оптрона V1 применен АОТ128. Резистор R5 сопротивлением 100 КОм удерживает в закрытом состоянии фототранзистор оптрона при отсутствии засветки светодиода.

Если вместо отечественного оптрона АОТ128 применить его импортный аналог 4N35 (хотя это еще вопрос, кто из них аналог?), то резистор R5 следует поставить с номиналом 1МОм. Иначе буржуйский оптрон работать просто не будет: 100 КОм закроет фототранзистор настолько прочно, что открыть его будет ничем уже не возможно.

Выходной каскад на транзисторе КТ315 рассчитан на работу с током 20 мА. Если же требуется больший выходной ток можно применить более мощный транзистор, например КТ972 или КТ815.

Схема достаточно проста, в работе надежна и в наладке не капризна. Даже можно сказать, что в наладке не нуждается.

Проверить работу платы проще всего подав на вход напряжение сети 220В прямо из розетки. На выход подключить светодиод через резистор около одного килоома и подать напряжение питания 12В. При этом светодиод должен зажечься. Если напряжение 220В выключить, то светодиод обязательно должен погаснуть.

Рис. 5. Внешний вид готовой платы с оптоэлектронными развязками

На рисунке 5 показан внешний вид готовой платы, содержащей четыре канала оптронных развязок. Подключение входных и выходных сигналов производится при помощи клеммников, установленных на плате. Плата изготовлена по лазерно – утюжной технологии , поскольку делалось это для своего производства. За несколько лет эксплуатации отказов практически не было.