Комплексное решение для автоматизации пропарочных камер ЖБИ

Программно-аппаратный комплекс управления пропарочными камерами был создан для завода который, производит железобетонные иделия.

Задача была создать устройство которое управляет, циклом пропарки железобетона и после завершения цикла, включает вытяжку. Это нужно для того чтобы пар выбрасывать на улицу, тем самым предотвращая высокую влажность, которая негативно влияет на ограждающие конструкции цеха, особенно в зимнее время.

Ранее установленная система работала по modbus интерфейсу и позволяла отслеживать и управлять циклом пропарки только одного рабочего места.

Проблема со старой системой была в том, что она управляет только одним исполнительными устройством в режиме вкл-выкл и не способна выполнять управление другими устройствами, такими как вытяжной вентилятор и шибера для отключения пропарочной камеры от вытяжной вентиляции.

На камерах были установлены электромагнитные клапаны. Из-за отсутствия возможности управлять задержками между включениями, они срабатывали слишком часто, что приводило к их быстрому выходу из строя. Кроме того, на момент разработки сеть между устройствами была неисправна.

Текущая конфигурация системы управления камерой это:

• Контроллер управления с индикацие температуры
• Цикл пропарки из 3 этапов
• Электромагнитный клапан
• Термопара К-типа
• Програмное обеспечение для ПК с которого производится управление

Что нужно получить:

• Управление клапаном подачи пара, с гистерезесом и минимальными интервалами между включением(открытием) клапана
• Управление запуском вытяжного вентилятора по завершении цикла, с возможностью установки задержки на включение и длительности работы
• Управление шибером
• Индикация температуры на борту контроллера установленного на камере для визаульного контроля и ручного управления
• Програмное обеспечение для управления всеми пропарочными камерами

Исполнительные устройства

Клапан подачи пара - Для подачи пара используется электромеханический шаровый кран с питанием 220 В. Клапан оснащён концевыми выключателями, предназначенными для индикации состояния (открыт/закрыт). В оригинальной схеме данные выключатели применяются исключительно для индикации и не используются в логике управления.

Вытяжной вентилятор - Запуск двигателя вытяжного вентилятора осуществляется с помощью пускателя с катушкой на 220 В.

Шибер - Отключение камеры от вентиляционного трубопровода. Привод шибера питается от сети 220 В.

Датчик температуры - В целях оптимизации стоимости и упрощения схемы термопара заменена на цифровой датчик температуры DS18B20. Максимальная рабочая температура в камере не превышает 90 °C, что соответствует рабочему диапазону данного датчика. В отличие от термопары, DS18B20 не требует усилителя сигнала для подключения к АЦП и имеет стоимость примерно в 10 раз ниже.

Контроллер и программное обеспечение

Изначально планировалось использовать супербюджетное решение на базе контроллера STM32C011 для управления исполнительными устройствами камеры и обмена данными по протоколу Modbus. На данном этапе была разработана прошивка под STM32C011, а также начата разработка программного обеспечения для тестирования взаимодействия элементов системы.

Начальный этап тестирования

При запуске тестирования системы было принято решение изменить топологию, отказаться от протокола Modbus и перейти к более отказоустойчивой архитектуре с использованием автономных контроллеров.

Автономные контроллеры позволяют расширять систему без необходимости вносить изменения в физические линии связи, обеспечивают быструю замену в случае неисправности, не имеют ограничений по количеству устройств, а также могут размещаться в любом месте и на любом удалении с использованием беспроводных технологий передачи данных. Помимо этого, данное решение обладает множеством других преимуществ.

Програмное обеспечение писалось на веб технологиях с применением React для интерфейса и NestJS для серверной части. Протокол передачи данных был выбран легкий и надежный mosquitto (MQTT). Такой подход предоставляет ряд приемуществ, програмное обеспечение можно развернуть как у себя в локальной сети так и на удаленных серверах, при этом зарегестрированные пользователи в системе будут иметь доступ с любого устройства на котором есть веб браузер будь то ПК или мобильный телефон.

Функции автономного контроллера на stm32f103

В отладочную плату встроен следующий функционал:

• работу по локальной сети (ethernet)
• энергонезависимую память для настроек и сохранения данных цикла пропарки в случае обрыва связи, которые отправляются на сервер после восстановления соединения
• 3 канала управления исполнительными устройствами на симисторе с включением через 0, такое решение будет работать пока его не спалят т.к. нет механического контакта
• подключение датчиков температуры DS18B20
• подключение двух термопар
• подключение концевиков клапана для отслеживания крайних положений затвора
• 1 канальный симисторный регулятор мощности
• подключение резистора для определения угла поворта затвора
• подключение энкодера для определения угла поворта затвора
• индикацию температуры на двух семисегментных индкторах и сдвиговом регистре с возможностью добавить вывод индикации ошибок на светодиоды

Плата

Тестовое устройство

В программное обеспечение контроллера включены следующие функции:

• настройка контроллера через UART
  • настройки ethernet соединения (статические адрес без возможности получения адреса по dhcp)
  • настройки подключения к MQTT брокеру
  • сохранение настроек в энергонезависимой памяти
  • сброс на заводские настройки
  • загрузка настроек из памяти при включении контроллера
• вывод логов работы через UART
• переподключение к сети, к брокеру с применением экспонециальной задержки
• динамическая индикация температуры
• старт цикла пропарки с загрузкой всех настроек для выбранного типа клапана
• стоп цикла прорапки
• ручной запуск/остановку продувки камеры
• линейным регулирование при использовании работы в режиме открыть-закрыть
• ПИД - алгоритм не реализован (ветка в коде заложена на будующее)
• управление клапаном
• управление вентилятором
• отправка состояния контроллера на сервер в режиме реального времени

Програмное обеспечение взаимодействия с контроллерами

Реализованы интерфейсы для администратора и пользователя.

Авторизаци и экран блокировки который влючается при бездействии пользователя

Пользователь

• Управление камерой (с защитой от включения продувки в режиме прорапки)
  • Старт/стоп пропарки
  • Старт/стоп продувки
  • Автоматическая блокировка интерфейса при бездействии пользователя

На главной странице отображена вся информация по контроллерам в системе

• индикация связи с контроллером в виде точки, зеленая - связь установлена, красная - ошибка связи
• цветовая индикация состояния контроллера
  • красная - запущен цикл пропарки с отображением текущей тепературы и времени до завершения
  • синяя - продувка с отображением времени задержки до запуска и после запуска отображает время до отключения продувки
  • зеленая - сигнализирует о том что цикл пропарки завершен

На странице контроллера

Присутсвует вся информация по контроллеру, текущая температура, отсавшееся время работы, а также кнопки управления.

• Присутвует окно в которм отображается график цикла прорарки
  • красный - настройка
  • зеленый - рабочий, обновляется с интервалом 5 минут

Можно создать любой цикл пропарки, добавляя или удаляя этапы. Если температура предыдущего этапа равна температуре следующего, то это этап удержания — на графике он отображается горизонтальной линией. Если температура следующего этапа выше предыдущей — это нагрев, а если ниже — охлаждение.

Нагрев и охлаждение происходят линейно. Например, если температура предыдущего этапа 20 °C, а следующего — 80 °C при длительности 3 часа, то температура будет плавно повышаться со скоростью 20 °C в час.

В системе ведётся архив, который содержит полную информацию о циклах пропарки, включая состояние и инициатора каждого цикла.

При выборе конкретного цикла из архива загружается вся связанная информация, а также отображаются графики установленного цикла и фактического рабочего графика пропарки железобетона.

В архиве доступен поиск по дате.

Администратор

У администратора доступны все функции пользователя, а также дополнительные возможности:

• Управление пользователями
• Добавление контроллеров в систему с установкой базовых настроек для выбранного типа управления клапаном
• Удаление данных из архива пропарочных циклов

Умный контроль пропарочных камер — технология, которая работает на вас!

Представьте — ваши изделия набирают прочность быстрее, процесс идёт строго по графику, а вы экономите время и энергию, наблюдая за безупречной работой системы! Вы можете заказать программно-аппаратный комплекс для управления пропарочными камерами — и превратить производство ЖБИ в умный, надёжный и прибыльный процесс, где каждая минута работает на качество и результат.

А если потребуется — расширим функционал под ваши задачи, чтобы система идеально вписалась в технологию и помогала достигать максимальной эффективности.