Контроллер промышленных газовых горелок

Газовые и жидкотопливные горелки применяются во множестве промышленных сценариев. В металлургии их используют для нагрева металлов в плавильных печах. Их используют в промышленных водогрейных и паровых котлах, чтобы производить тепло и пар для отопления зданий и выработки электроэнергии. Они необходимы для ряда процессов в химической, нефтегазовой, стеклянной, керамической промышленности и в других отраслях.

Сегодня промышленные горелки управляются системами автоматики. Такие решения контролируют интенсивность пламени, а также могут прервать процесс в случае нештатной ситуации, что повышает эффективность и безопасность работы горелок.

Чтобы устройство соответствовало требованиям заказчика по габаритам, контроллер был выполнен на двух печатных платах, располагающихся в корпусе одна над другой. Верхняя плата отвечает за работу индикаторов, кнопок, портов Ethernet и RS-485. На нижней плате расположены сильноточные реле, блок питания, схема измерения тока и ножевые разъемы. Такое решение позволило разместить все необходимые компоненты в ограниченном объеме. Устройство совместимо по посадочному месту с колодкой от Siemens.

Главные функции контроллера – управлять подключенным оборудованием, определять наличие или отсутствие пламени в горелке, а также измерять интенсивность пламени. Для этого устройство измеряет ток ионизации пламени. При горении газа в пламени образуются положительные ионы и свободные электроны, благодаря чему пламя способно проводить электрический ток. Отсутствие тока свидетельствует об отсутствии пламени. Величина тока зависит от интенсивности ионизации. То есть чем интенсивнее пламя, тем больше сила тока.

При этом пламя имеет выпрямляющее действие, что позволяет контроллеру отличать сигнал пламени постоянного тока от короткого замыкания между ионизационным датчиком пламени и заземлением (в этом случае между ними протекает переменный ток).

Контроллер также оснащен несколькими реле управления внешней нагрузкой. Через них подаются команды на подключаемое оборудование – трансформатор розжига, клапаны, компрессоры для нагнетания воздуха и т.д. В отличие от решения Siemens, которое проверяет нагрузку только перед запуском, наш контроллер обеспечивает непрерывный мониторинг в реальном времени. Если какое-то оборудование перестает потреблять ток (отключается), устройство может это зафиксировать и сообщить об ошибке. Это значительно повышает безопасность эксплуатации и позволяет мгновенно реагировать на неисправности подключенного оборудования, предотвращая потенциально опасные ситуации.

Устройство имеет 3 интерфейса связи. Через USB-порт контроллер можно подключить к персональному компьютеру для конфигурации и считывания данных из архива. Через Ethernet и RS-485 устройством можно управлять дистанционно, что также способствует безопасной эксплуатации решения.

Контроллер оснащен светодиодной линейкой, которая отображает интенсивность пламени, и семисегментным индикатором на три знакоместа для отображения кодов ошибок и параметров работы прибора. На корпусе также предусмотрены три кнопки для переключения параметров.

Одним из ключевых приоритетов команды была безопасность эксплуатации горелок. Поэтому мы разработали комплексную систему диагностики, способную выявлять и предотвращать широкий спектр нештатных ситуаций – отсутствие пламени или подключения электрода, замыкание электрода ионизации на нейтраль, попадание искры розжига на ионизационный электрод и др. Каждый сценарий был тщательно проанализирован с учетом реальных условий эксплуатации промышленного оборудования.

Отдельно стоит отметить функцию контроля залипания реле. Если какое-либо реле по той или иной причине не включилось или не выключилось, микроконтроллер формирует соответствующий сигнал для верхнеуровневого ПО.

Кроме того, рабочие контакты второстепенных реле последовательно подключены к главному реле. Чтобы оно находилось в рабочем положении, микроконтроллер подает на главное реле активный уровень. Только в этом случае второстепенные реле смогут включить выходы (Х7, Х4, Х5, Х9). Если микроконтроллер выйдет из строя, главное реле перейдет в состояние по умолчанию и соединение с второстепенными реле прекратится. Это позволяет избежать неконтролируемого поведения подключенного оборудования при выходе из строя микроконтроллера.

Заказчик владеет собственным производством. Чтобы не нарушать работу отлаженных цепочек поставок, команда старалась использовать в устройстве устоявшуюся номенклатуру компонентов. Кроме того, для программной совместимости с ранее разработанными продуктами предприятия было решено работать с микроконтроллером из семейства APM32F4xx.

Компактность устройства представляла серьезный инженерный вызов: нам предстояло разместить множество компонентов, включая крупногабаритные реле, в ограниченном пространстве. Решением стала разработка двух 4-слойных печатных плат с оптимизированной топологией. Это позволило не только соблюсти требования по габаритам, но и обеспечить оптимальное тепловое распределение, что критично для надежной работы устройства.

Наша часть работы над прошивкой подразумевала создание драйверов – низкоуровневой прослойки ПО, которая отвечает за взаимодействие с конкретными аппаратными узлами. У каждого такого драйвера есть уровень абстракции, называемый контейнером, который обеспечивает взаимодействие с верхнеуровневым ПО, отвечающем за бизнес-логику устройства. Контейнерная система призвана ускорить разработку. Здесь от команды потребовалось использовать фирменный фреймворк заказчика.

Поскольку мы не были с ним знакомы, часть времени пришлось потратить на обучение наших программистов работе с этой платформой. Кроме того, для корректного взаимодействия бизнес-логики с контейнерами для них требовалось вручную создавать специальные файлы описания. И здесь большую роль играл человеческий фактор.

Создание прошивки с помощью фреймворка заказчика означало, что ПО будет хорошо интегрироваться с существующими системами клиента. Это также облегчает дальнейшее сопровождение и обновление ПО. Поэтому перед работой над прошивкой команда быстро освоила этот инструмент.

В процессе работы команда КЕДР Solutions внесла вклад и в улучшение кода, созданного разработчиками заказчика. В частности, мы значительно модифицировали контейнер АЦП, что позволило существенно повысить его производительность. Первоначальный код, разработанный для других продуктов, позволял проводить измерения только с частотой 1000 раз в секунду. Однако для текущего проекта требовалось гораздо более высокая скорость, и команда смогла повысить ее до примерно 80 000 измерений в секунду.

Много усилий потребовалось на то, чтобы проанализировать, как устройство от Siemens измеряет ток ионизации пламени. Оказалось, что из-за различий внутренних импедансов у устройств наш контроллер и Siemens показывают разную величину тока. Это можно увидеть на графике ниже:

Однако эта разница не влияет на качество контроля пламени.

Кроме того, сигнал в устройстве от Siemens преобразуется аппаратно. Мы же реализовали программную обработку данных о токе ионизации. Это фундаментальное отличие обеспечивает исключительную гибкость настройки: параметры работы можно адаптировать под конкретные условия эксплуатации без изменения аппаратной части. Такой подход позволяет оперативно вносить улучшения в алгоритмы обработки и расширять функциональность устройства через обновление программного обеспечения.