U bazi znanja analizirane su dinamičke karakteristike, odziv i ponašanje sistema centralnog grejanja na zadatu referentnu promenljivu. Određena je prenosna funkcija sistema i izvršena je sinteza digitalnog PI odnosno PID zakona upravljanja. Postupkom simulacije u MATLab-ovom simulink modulu dobijeni su optimalni parametri (konstante) PI tj PID regulatora.

 

 

Grubo gledano sistem možemo podeliti na dva dela :

1. Elektronski deo – koga čine : mikrokontroler, A/D konvertor, kolo za generisanje referentne promenljive, kolo za generisanje upravljane promen-ljive – senzor za temperaturu vode u sistemu, deo za galvansku izolaciju elektronskog i energetskog dela, kolo za sinhronizaciju sa mrežom i deo za napajanje.

2.  Energetski deo čini trofazni tiristorski polu upravljivi ispravljač. Umesto njega bolje je koristiti trofazni tiristorski fazni regulator ali je upravljanje njegovim radom znatno složenije i izlazi iz okvira ovog projekta.

Slika 1. Blok šema sistema za upravljanje centralnim grejanjam

   Mikrokontroler predstavlja mozak sistema i ima glavnu ulogu u njegovom radu. U jednom čipu se nalazi procesor, memorija, registri i sve što je potrebno za obavljanje funkcija tipičnih za jedan procesor informacija. Namenjen je  projekto-vanju digitalnih sistema upravljanja u industriji i slično. On   generiše upravljačku promenljivu na osnovu merene upravljane promenljive tj temperature vode u povratnoj grani upravljajući radom tiristorskog polu upravljivog ispravljača. Istovremeno kontrolišući celokupan rad uređaja.

Izlaz senzora se vodi na pojačavač koji ima ulogu da pojača signal sa senzora i prilagodi ga opsegu A/D konvertora.Njegova stabilnost i otpornost na spoljašnje uticaje kao i mali ofset (razdešenost) ukazuju na njegovu ulogu u celom sistemu.

Sa pojačavača se signal povratne sprege dovodi na ulaz A/D konvertora. Njegova uloga je da analogni signal pretvori u digitalni koji se dalje vodi u mikrokontroler. Ovde bi se mogao koristiti mikrokontroler sa već ugrađenim A/D konvertorom čime bi se data šema znatno uprostila. Priloženo rešenje nije jedino ali je sa stanovišta univerzalnosti i edukativnog značaja bolje.

Galvanska izolacija je neophodan deo svakog uređaja u kome se kombinuju elektronska kola sa kolima energetske elektronike. Usled havarije u energetskom delu, koja je moguća jer su komponente (tiristori i diode) značajno opterećeni, mogao bi se uništiti čitav elektronski sklop. U ovom delu se nalaze i impulsni pojačavači koji slab digitalni signal podižu na viši nivo dovoljan za okidanje tiristora.

   Kolo za zadavanje referentnog signala je obavezan deo jer omogućuje korisniku da na jednostavan način zada željenu referentnu temperaturu vode u sistemu. Njegova uloga je ovde i da ograniči opseg zadavanja temperature na MAX 70°C. U isto vreme ovo kolo treba i da obezbedi jednostavno očitavanje zadate temperature na displeju.

Za uspešan rad svih ovih kola potreban je kvalitetan i stabilan izvor napajanja. On treba da obezbedi potrebne napone za funkcionisanje svih kola.

   Tiristorski polu upravljivi ispravljač je zbog snage grejača kojim upravljamo vezan na trofaznu mrežu 3x380V . Nije bilo potrebe da se koristi puno upravljivi ispravljač zbog činjenice da grejač ne radi u invertorskom režimu. Na ovaj način su umesto tri tiristora upotrebljene tri diode , čime je postignuta znatna ušteda kako u pogledu cene uređaja tako i sa tačke upravljanja sistemom.

U postojeći sistem se može dodati i EPROM memorija u koju se može smestiti kompletan program za mikrokontroler. Mikrokontroler već u sebi sadrži izvesnu količinu memorije (8KB) koja je u ovom slučaju dovoljna da primi celokupan kod. Iz tog razloga je u ovom projektu izostavljena.

   Mikrokontroler koji je ovde korišćen je Atmel-ov AT89C52. Radi se o kontroleru koji je po svom pinskom rasporedu i setu instrukcija kompatibilan sa Intel-ovim 8052 mikrokontrolerom. On sadrži tri 16-to bitna brojača i 8KB flash memorije. Priključen je na kvarcni kristal učestanosti 12 MHz. Postoje 4 ulazno/izlazna porta mada su ovde korišćena samo dva. Napon napajanja je +5V.

A/D konvertor je AD570 firme Analog Devices. U pitanju je 8-mo bitni A/D, sa vremenom konverzije <25μs na bazi sukcesivne aproksimacije. Napajanje mu je +5V i – 12V, a opseg ulaznog napona je 0-10V. Izbor ovakvog konvertora je zasno-van prvenstveno na činjenici da se radi o sporo promenljivom procesu i na što jednostavnijem upravljanju. Proces A/D konverzije započinje na opadajućoj ivici signala B&C . Nakon 25μs po završetku konverzije aktivira se signal DATAREADY . Signal B&C generiše mikrokontroler koji i detektuje DATAREADY signal preko svog INT1 ulaza.

Kolo za generisanje referentne vrednosti je napravljeno pomoću dva BCD UP/DOWN brojača 74HC4510. Pomoću dva tastera biramo smer brojanja a trećim vršimo upis izabrane vrednosti u leč kolo 74HC573.Prikaz se vrši na dva 7-mo segmentna displeja pomoću dva BCD/7-SEG drivera 74HC4511. Napajanje je +5V.

Galvanska izolacija zahteva posebno galvanski odvojeno napajanje i može se izvesti pomoću optokaplera ili malih signalnih trafoa . Ovde će biti prikazano rešenje sa signalnim trafoom, koje je ujedno i najjednostavnije .

Sklop za sinhronizaciju sa mrežom koristi mrežni transformator u delu za napajanje.

Prolaskom mrežnog napona kroz nulu generiše se okidni impuls koji se zatim uobličuje i vodi na INT0 ulaz u mikrokontroler.Ovaj deo je vrlo važan jer na osnovu impulsa sinhronizacije se vrši izračunavanje ugla paljenja tiristora kao i perioda odabiranja. Koristeći mrežni transformator sklop je galvanski odvojen od mreže.

Senzor korišćen u ovom sistemu je LM35 proizvođača National Semiconductor . U pitanju je vrlo jednostavan, precizan, linearan i jeftin senzor.Osetljivost mu je 10mV/°C. Može da meri temperaturu do +150°C. Izlaz je naponski signal. Napajanje može biti u granicama od 4 do 30V.

   U pojačavačkom sklopu je korišćen klasičan 741 operacioni pojačavač u neinvertu-jućem spoju sa kompenzovanim ofsetom koji ulazni naponski signal pojačava i prilagođava ulaznom opsegu A/D konvertora 0-10V.

Iz dosad navedenog proizilazi da su za rad ovog uređaja potrebni sledeći naponi :

•   +5V,+15V,+15V(galvanski odvojeno) i –12V. 

Možda najbolje rešenje predstavljaju integrisani stabilizatori napona 7805,7815 i 7912.

 

 

Programska podrška

 

 

   Nakon hardverske sinteze sistema u celini možemo pristupiti razmatranju problema-tike softvera koji će upravljati celim sistemom. Najpre treba zakon upravljanja predstaviti u nešto drugačijem obliku.

 

  Ovde su konstante KP, KI i KDodredjene u tekstu u bazi znanja i iznose:

Sređivanjem gornjeg izraza i svođenjem na nešto drugačiji oblik dobija se :

 

 K1 = KP+KI+KD = 30.8      K2 = KP+2K = 30.4    K3 = KD = 0.2

 

   Očigledno da konstante nisu celobrojne i da ih treba skalirati kako bi se mogle primeniti u softverskoj implementaciji zakona upravljanja . Zato ih množimo sa 4, zaokružujemo i dobijamo nove konstante : K1 = 123 ; K2 = 122 ; K3 = 1 .

Ove konstante su celobrojne i mogu se koristiti u programu predstavljene u hexadecimalnom obliku kao : K1 = 7B H ; K2 = 7A H ; K3 = 01 H ;

   Ovo unosi izvesnu grešku u izračunavanju upravljačke promenljive. Upravljačka pro-menljiva, koja ovde predstavlja vrednost napona koju dovodimo na grejač, se nalazi u opsegu 0 – 400V . Teorijski bi se mogla generisati bilo koja vrednost iz tog opsega ali to nema praktičnog značaja . Iz tog razloga je ovde izvršeno skaliranje upravlja-čke promenljive, pa je ona svedena u opseg 0 – 50, deljenjem sa 8 .

Na ovaj način ustvari generišemo samo 50 vrednosti ugla paljenja tiristora, pri čemu se napon menja u koracima od 8V. Ugao paljenja prvog tiristora generiše Timer0 u mikrokontroleru dok su ostali uglovi pomereni za po 1/3 periode. Konsanta kojom se puni Timer0 da bi generisao željeni ugao je 16-to bitna i uzima se iz tabele koja se nalazi u programskoj memoriji. Tabela je data u nastavku .

 

Tabela 1. Zavisnost napona ispravljačaod ugla paljenja tiristora

 

 

   Zavisnost izlaznog napona od ugla paljenja je prikazana u tabeli. Uout predstavlja zaokruženu vrednost . Kolona Timer sadrži konstante kojima se puni Timer0 da bi generisao željeni ugao paljenja prvog tiristora. Potrebno je ove vrednosti pretvoriti u hexadecimalni oblik .

   Konstante su dvo-bajtne (16 bita) niže bajtove stavljamo u jednu tabelu na lokacije od 100 (64H) do 150 (96H) , a više bajtove u drugu tabelu na lokacije od 151 (97H) do 201 (C9H) . Ovim tabelama pristupamo indirektno .

Timer1 koristimo za generisanje uglova paljenja ostala dva tiristora. On  generiše vremenski period koji odgovara 1/3 periode mrežnog napona tj. oko 6.666msec. Konstanta kojom punimo Timer1 je zato 65535 – 6666 =58869 (E5F5 H).

Perioda odabiranja je 75sec što predstavlja 3750 perioda mrežnog napona . Timer2 služi za generisanje periode odabiranja. Nalazi se u auto-reload modu što znači da  se pri prekoračenju (kad dostigne 65535 (FFFF H)) automatski napuni vrednošću 65535 – 3750 = 61785 (F159 H).Ovaj Timer je podešen da radi kao Counter tj. brojač događaja odnosno brojač perioda mrežnog napona.

   Vrlo važno pitanje je određivanje prioriteta interapta. Najviši prioritet ima INT0 koga generiše mreža. U odnosu na njega se generišu svi uglovi paljenja i određuje perioda odabiranja.

Na osnovu dosad izloženog može se preći na programski kod u asembleru uz oslonac na repertoar instrukcija mikrokontrolera uz kratak komentar.

 

Programski kod za upravljanja centralnim grejanjem