Тема:  Дослідження схем автоматизації проточного  елементного водонагрівника

Проточні (швидкісні) водонагрівачі компактні, дозволяють одержувати гарячу воду відразу після включення. Однак вони не здатні акумулювати гарячу воду, вимагають вільного електроспоживання і надійного електропостачання.

Призначення проточного елементного водонагрівника

Проточний (швидкодіючий) елементний водонагрівач  застосовують в системах напування тварин, приготування кормів, для обігріву невеликих приміщень.

Будова проточного елементного водонагрівника

Рисунок 1. Будова проточного водонагрівача.

1 - датчик температури води в системі водопостачання, 2 - вставка ізолюча, 3 - термометр, 4 - кожух, 5 - термоконтактори аварійного захисту, 6 - резервуар, 7 - ящик управління, 8 - теплоізоляція, 9 - датчик температури води у водонагрівачі, 10 - блок нагрівальний, 11 - вентиль, 12 - клапан зворотний, 13 - клапан надлишкового тиску, 14 - пробка зливу, 15 - агрегат електронасосний.

Принцип дії проточного елементного водонагрівника 

Холодна вода надходить у водонагрівач через нижній трубопровід, на якому крім вентиля може бути встановлений зворотний клапан для запобігання зворотного ходу води, нагрівається ТЕНами (ТЕН-80A13 / 3.15J220-08А-01 або ТЕН-80A13 / 3.15P220-08А) до номінальної температури , заданої терморегулятором ТРМ202-Щ1Р (можна використовувати терморегулятора ТРМ-151-01 c діапазоном температури до 100 ° С) близько 90 ° С, після чого нагрівання автоматично припиняється. Надалі температура води на цьому рівні підтримується автоматично. Як аварійне регулятора використовують аналогічний терморегулятор. Водонагрівач, як правило, має запобіжний пружинний клапан, що спрацьовує при збільшенні тиску води понад 0,4 МПа. Відбір гарячої води здійснюється методом витіснення: відкриттям вентиля на трубопроводі відбору гарячої води. Вентиль на трубопроводі подачі холодної води залишається постійно відкритим. Холодна вода, надходячи в нагрівач, витісняє гарячу воду практично без змішування.

Максимальна температура води 90 ° С. Температуру води підтримують за допомогою терморегулятора (можна використовувати терморегулятора ТРМ-151-01 c діапазоном температури до 100 ^оС).

Робота принципової електричної схеми проточного елементного водонагрівника

Рисунок 2 Принципова електрична схема проточного водонагрівача

Водонагрівач має  ручний та  автоматичний режим роботи, які задаються перемикачем SA.

При ручному режимі роботи водонагрівач працює так: перемикач SA  поставимо в положення ”Р”, При цьому режимі керування здійснюється за допомогою кнопок керування. Вмикання нагрівних елементів водонагрівача здійснюється за допомогою пускової кнопки SB1.2, а електродвигуна насоса кнопкою SB2.2. Вони подають живлення на відповідні котушки магнітних пускачів КМ1 і КМ2, які силовими контактами подають напругу на ТЕНи і електродвигун насоса. По термометру спостерігаємо за температурою води. Коли вода нагрівається до заданого значення установку відключаємо, за допомогою кнопок SB1.1 та SB2.1, які вимикають магнітні пускачі КМ1 і КМ2 і відповідно ТЕНи та електродвигун насоса.

При автоматичному режимі роботи водонагрівач працює так: перемикач SA  ставимо в положення ”А”. Якщо температура води в баку водонагрівача, а також у най віддаленій точці нижче заданої, то датчики температури ВК1 і ВК2 подають сигнал на регулятор температури А, а він замикає відповідні свої контакти і подає напругу на котушки магнітних пускачів КМ1 і КМ2. Магнітні пускачі силовими контактами КМ1 і КМ2 подають напругу на ТЕНи водонагрівача і на електродвигун насоса циркуляції води.

При нагріві води до температури, заданої на регуляторі, подається сигнал на вимикання магнітних пускачів і відповідно ТЕНів водонагрівача та електродвигуна насоса циркуляції води.

Призначення програмного регулятора 

Універсальний двохканальний програмний ПІД-регулятор  ТРМ151 використовується  для створення систем управління різного рівня складності — від контурів локального регулювання до комплексних систем управління об'єктами з інтеграцією в АСУ.

Рисунок 3 . Загальний вигляд програмного регулятора  ТРМ151

Універсальний  програмний ПІД-регулятор здійснює програмне управління різними виконавчими механізмами:

•  2-х позиційними (ТЕНи, двигуни);

•  3-х позиційними (засувки, крани)

• додатковими пристроями (заслінки, жалюзі, газо- або парогенератори і т. п).

ТРМ 151 має два універсальні входи, до яких можна підключати датчики різного типу:

•  Термоперетворювальні  опори типа ТСМ/ТСП/ТСН;
• Термопари TXK(L), TXA(K), TXK(J), THH(N),  TПП(R),   TПП(S),  ТПР(В), TBP(A-1,2,3), TMK(T);
•   Датчики з уніфікованим вихідним сигналом струму 0(4)...20 мА, 0...5 мА  або  напруги  0...1 В, -50...+50 мВ;
•  Датчики положення засувки (резистивні або струмові);
•  «Сухі» контакти.

Функціональна будова програмного регулятора ТРМ151

Рисунок 4. Функціональна схема використання універсального двохканального програмного ПІД-регулятора  ТРМ151.

Технічні можливості програмного регулятора ТРМ151

ТРМ151 управляє технологічним процесом за програмою, яка є послідовністю кроків, наприклад:

•  нагрів або охолодження до заданої температури або протягом заданого часу (з необхідною швидкістю);
•   підтримка температури на рівні вставки протягом заданого часу;
•   підтримка температури на рівні вставки до тих пір, поки вимірювана величина в одному з каналів не досягне заданого значення.

ТРМ151 може мати 12 програм по 10 кроків в кожній. Також можна створити програму з нескінченним числом циклів або «зчепити» декілька програм в одну, що дозволяє описати технологічний процес практично будь-якої складності.

Регулятори ТРМ151 можуть працювати в двох режимах:

• двохпозиційне регулювання (включення/виключення вихідних пристроїв відповідно до заданої логіки);
•  ПІД-регулювання,  що дозволяє з високою точністю управляти складними об'єктами.

У приладі залежно від замовлення можуть бути встановлені 2 вихідних елементи в будь-яких поєднаннях:

•  реле з струмом контактів на 4 А при 220 В;
•  транзисторні оптопари п-р-п-типу 400 мА 60 В;
•  симісторні оптопари 50 мА 300 В;
•   ЦАП «параметр-струм 4...20 мА»;
•  ЦАП «параметр-напруга 0...10В»;
•  вихід 4...6 В 100 мА для управління твердотільним реле.

Рисунок 5. Схема підключень програмного регулятора ТРМ 151

У ТРМ151 встановлений модуль інтерфейсу RS-485, організований по стандартному протоколу ОВЕН. Інтерфейс RS-485 дозволяє:   конфігурувати   прилад   на   ПК;   передавати в мережу поточні значення виміряних величин,  вихідної потужності регулятора, параметрів програми технолога, а також будь-яких програмованих параметрів;   одержувати з мережі оперативні дані для генерації управляючих сигналів.

Пристрої для вимірювання температури

Найпоширенішими типами датчиків для вимірювання температури в промислових умовах є термометри опору і термоелектричні перетворювачі або термопари. По суті обидва види датчиків є первинними перетворювачами і для отримання з них значення температури, необхідно використовувати вторинні нормують перетворювачі, або ж спеціальні входи модулів введення промислових контролерів (ПЛК). 

Конструктивне виконання та принцип дії термодатчиків опору

Термодатчики опору - конструктивно виконуються за допомогою намотування дроту з міді або платини на ізоляційний каркас. Найпоширеніший матеріал, з якого виконуються термодатчики опору - платина. Все тому, що у платини один з найвищих температурних коефіцієнтів опору і висока стійкість до окислення. Для захисту від механічних пошкоджень і зручності монтажу термодатчики опору укладають в захисну арматуру різного виконання.

Рисунок 6. Загальний вигляд термодатчиків опору

Принцип дії термодатчиків опору заснований на зміні їх електричного опору від температури об'єкта.

Конструктивне виконання та принцип дії термопар

Поширеним видом датчиків температури є термоелектричний перетворювач або, як їх ще називають, термопари. Термопара являє собою спай двох провідників (термоелектродів). При нагріванні «гарячого» спаю на кінцях «холодного» спаю утворюється термо електрорушійна сила (ЕРС) постійного струму.

Призначення: вимірювання температури навколишнього середовища, рідких, газоподібних і сипучих хімічно неагресивних середовищ, а також поверхні твердих тіл у всіх галузях промисловості

Рисунок 7 . Будова термопари:

1 -  захисний корпус; 2 – робочий спай; 3 - порцеляновий наконечник; 4 - порцелянове намисто; 5- головка термопари; 6 – виводи.

На рисунку 7 представлена конструкція термопари типу ТХК. Робочий "гарячий" спай виконується скруткою і наступним зварюванням двох різнорідних матеріалів - хромелю і копелю. Для захисту такого датчика від механічних пошкоджень при вимірюванні температури об'єктів, вони будуть розміщені в спеціальний жароміцний корпус 1. Робочий спай 2 ізольований від корпусу порцеляновим наконечником 3; електроди для захисту від замикання між собою або корпусом ізолюються порцеляновими намистом 4. Кінці термоелектродів через азбестове ущільнення виводяться на блок затискачів 6. Для герметизації блок затискачів головки термопари закривається кришкою з гумовим ущільненням. Такі датчики можуть працювати під надлишковим тиском, для цього на корпусі є різьблення, за допомогою якої здійснюється ущільнення технологічного отвору для вимірювання температури.