Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Samodzielnie zrealizowany system nawodnieniowy cz.1- sterownik nawadniania (elektrozawory)

W piwnicy okresowo użytkowanego domku umieszczone są elementy samodzielnie zrealizowanego systemu nawodnieniowego. Na marginesie: samodzielna realizacja nawadniania jest zaskakująco prosta, w szczególności wtedy, gdy wykorzystywane są tylko linie kroplujące, czyli „przeciekające węże”.
Article Image
W cyklu „Z potrzeby chwili...” przedstawiamy opisy układów, urządzeń i instalacji elektronicznych, które powstały szybko dla zaspokojenia konkretnych potrzeb i te potrzeby zaspokoiły. Szybki proces powstawania zwykle oznacza, że urządzenie nie jest do końca dopracowane i że w przyszłości może być lub będzie ulepszone, co też może zostać opisane w EdW. Zachęcamy do nadsyłania tego rodzaju materiałów do publikacji.

Na życzenie Czytelników temat nawadniania może zostać omówiony szerzej (edw@ elportal.pl) ze szczegółowym omówieniem aspektów elektronicznych.

Fotografia 1 (wersja o dużej rozdzielczości dostępna także w Elportalu wśród materiałów dodatkowych do tego numeru) pokazuje stan pierwotny. Docelowo system nawodnieniowy ma być obsługiwany przez dedykowany sterownik, a na razie w czasie gdy nikogo w domu nie ma, ma być sterowany zdalnie za pośrednictwem centralki Ropam Optima z wykorzystaniem SMS-ów.

Fot.1 System nawadniania

Centralka Ropam Optima wraz z modułami dodatkowymi może mieć ponad 30 wyjść (typu otwarty kolektor/dren) oraz ponad 30 wejść „cyfrowych”. Do sterowania 7 elektrozaworami „nawodnieniowymi” i jednym kulowym z silnikiem można wykorzystać osiem wyjść centralki, a w praktyce raczej modułu rozszerzeniowego typu otwarty kolektor/dren, gdzie wyjściowe MOSFET-y N mają obciążalność 0,7A i napięcie pracy do 24V. Z potrzeby chwili, pod presją czasu zrealizowałem prosty siedmiokanałowy sterownik elektrozaworów „nawodnieniowych” z dodatkowym sterowaniem zmotoryzowanym zaworem kulowym oraz obwodami kontrolnymi.

Sterowanie elektrozaworami - jakie cewki wykorzystać?

W większych instalacjach nawodnieniowych rzadko wykorzystywane są elektrozawory z cewkami-elektromagnesami przeznaczonymi do sterowania napięciem stałym. Są one kosztowne, bo w istocie są to elektromagnesy dwustanowe (bistabilne) z pamięcią, gdzie krótki impuls napięcia (6...10V) o jednej biegunowości włącza elektrozawór, a impuls o przeciwnej biegunowości go wyłącza.

W systemach nawadniania najczęściej wykorzystywane są dużo tańsze cewki-elektromagnesy zasilane napięciem przemiennym 24VAC 50Hz, gdzie podanie napięcia otwiera zawór, a brak napięcia – zamyka przepływ wody.

Ja chciałem wykorzystać popularne i tanie cewki prądu zmiennego, ale sterować je napięciem stałym 13,7V, co jest możliwe. W Internecie można znaleźć informacje o zasilaniu takich cewek napięciem stałym około 12V, jednak między innymi powoduje to silne grzanie cewek. Aby ograniczyć grzanie, przeprowadziłem szereg eksperymentów, zbadałem i wypróbowałem szereg rozmaitych rozwiązań, badając też przebiegi napięć i prądów.

Drugim celem było bowiem to, by po wyłączeniu nie przerwać po prostu przepływu prądu przez cewkę, tylko żeby zanikający prąd miał kształt tłumionej sinusoidy w celu rozmagnesowania rdzenia. Temat sterowania stosowanymi w elektrozaworach cewkami 24VAC napięciem stałym nieoczekiwanie i wbrew pozorom okazuje się bardzo interesujący, a przy okazji ujawnia się szereg interesujących aspektów i zagadnień pokrewnych, w tym dotyczących różnych typów... kondensatorów.

Na życzenie Czytelników temat elektrozaworów „nawodnieniowych” i sterowania nimi może zostać przedstawiony szerzej w ramach Kuchni Konstruktora. A ponieważ systemy nawadniania dla wielu są nowością, dokładniej może być przedstawiony temat samodzielnej ich realizacji. Jeśli chcecie o tym poczytać, piszcie: edw@elportal.pl.

Fotografia tytułowa pokazuje realizację prostego sterownika, którego schemat widoczny jest na rysunku 2. W finalnym układzie w obwodzie zasilania 13,7V umieszczony jest też bezpiecznik polimerowy 500mA.

Rys.2 Schemat prostego sterownika nawadniania

Główną potrzebą jest zdalne sterowanie z wykorzystaniem centralki Ropam Optima. Przewidziano też sterowanie lokalne za pomocą zestawu DipSwitch x8. Przekaźnik Rel1 służy do sterowania głównym elektrozaworem kulowym. Rezystor R8 ogranicza prąd i moc strat podczas pracy ciągłej cewek elektrozaworów nawodnieniowych, a tranzystor T1 w pierwszej chwili po włączeniu podaje na cewkę elektrozaworu pełne napięcie przez czas wyznaczony przez kondensator C8. Dwójniki RC (R1...R7, C1... C7) przy wyłączaniu tłumią przepięcia i zapewniają, że podczas wyłączania prąd ma kształt (szybko) gasnącej sinusoidy.

Cewki siedmiu elektrozaworów są elektromagnesami. Zasadniczo przeznaczone są do pracy przy napięciu zmiennym 24V 50Hz, a tu pracują przy prądzie stałym. Badając temat, znalazłem na jakimś niemieckim forum zalecenie, by przy takiej nietypowej pracy podczas wyłączania prąd i napięcie elektrozaworu były gasnącymi sinusoidami, co zagwarantuje rozmagnesowanie ich rdzeni.

Można się zastanawiać nad sensownością takiego zalecenia. Autor prawdopodobnie obawiał się, że rdzeń zastosowany w cewkach 24VAC może się trwale namagnesować, wskutek czego elektromagnes nie puści po odłączeniu stałego napięcia zasilania. Jest to bardzo mało prawdopodobne, bo przecież przy prądzie zmiennym wyłączenie może nastąpić w dowolnej chwili (fazie) napięcia i prądu.

W Internecie nie ma informacji o takim namagnesowaniu i niewyłączaniu się przy nietypowej pracy cewek AC przy prądzie DC. Jednak faktem jest, że elektromagnesy (i przekaźniki) prądu zmiennego mają specyficzną budowę rdzenia. Mając jednak odrobinę wątpliwości, ale głównie z ciekawości, postanowiłem zrealizować takie rezonansowe wyłączanie.

Cewka testowanego elektrozaworu miała rezystancję około 25 omów (i indukcyjność ponad 0,2H). Podanie na nią napięcia stałego 13,7V dałoby moc strat cieplnych prawie 8 watów, co zapewne skończyłoby się przegrzaniem i spaleniem cewki. Na pewno trzeba ograniczyć prąd, a najlepiej by duży prąd płynął tylko przez chwilę po włączeniu, co można uzyskać za pomocą rezystora RA i kondensatora CA. Zrezygnowałem jednak z typowego gaszenia przepięć za pomocą diody według rysunku 3a.

Rys.3 Cewka elektrozaworu - rozwiązania

Najpierw przebadałem rezonansowe rozwiązanie według rysunku 3b z różnymi wartościami R i C. Rysunek 4 pokazuje napięcia (względem masy) w punktach X, Y takiego obwodu tuż po wyłączeniu elektrozaworu, czyli po rozwarciu styku S. Finalnie zrezygnowałem z dużego kondensatora CA i zastąpiłem go małym kondensatorem i tranzystorem według rysunku 3c.

Rys.4 Napięcia (względem masy) w punktach X, Y obwodu

Sterowanie elektrozaworem kulowym - system nawodnieniowy

Elektrozawór kulowy, odcinający dopływ wody do klasycznych elektrozaworów nawodnieniowych, jest po prostu konieczny.

Wprawdzie typowe elektrozawory nawodnieniowe powinny skutecznie zatrzymać wypływ wody, jednak mają one specyficzną budowę, zawierają w istocie malutki elektrozaworek, który pośrednio dzięki ciśnieniu wody wpływa na pozycję dużej membrany, decydującej finalnie o przepływie wody.

Niestety, czasami zdarza się, że po wyłączeniu cewki-elektromagnesu duża membrana nie zamyka przepływu wody, na przykład wskutek zanieczyszczeń zawartych w wodzie. Znane są przypadki, że przez pozostawiony długo bez nadzoru, zdalnie sterowany niedomknięty elektrozawór nawodnieniowy przepłynęło nawet kilkaset metrów sześciennych wody, co nie tylko zaleje ogród, ale też podwyższy rachunek za wodę o tysiące złotych.

Aby temu zapobiec, w każdej zdalnie obsługiwanej instalacji z klasycznymi zaworami nawodnieniowymi konieczne jest za instalowanie dodatkowego niezawodnego zaworu innego typu, najlepiej kulowego, w którym przekręcanie kuli o 90 stopni realizuje mały silniczek.

Najprościej biorąc, podanie na silniczek przez dowolnie długi czas napięcia o jednej biegunowości uruchomi go, co otwiera zawór w ciągu kilku sekund, a po otwarciu zaworu wyłącznik krańcowy rozwiera obwód silnika. Podanie napięcia o przeciwnej biegunowości zamyka przepływ wody i też rozłącza obwód.

Takie działanie pozwala na prosty sposób sterowania: także w układzie z rysunku 2 w spoczynku na elektrozawór stale podane jest napięcie o biegunowości takiej, jaka powoduje jego zamknięcie, przy czym prąd w spoczynku nie płynie. Zadziałanie przekaźnika Rel1 w sterowniku i podanie napięcia „odwrotnego” otwiera elektrozawór kulowy. Silnik pobiera prąd wyłącznie w krótkich chwilach zamykania i otwierania.

W moim sterowniku zastosowałem posiadany przekaźnik Zettler AZ822 12V z cewką 960Ω, co przy zasilaniu 13,7V daje prąd około 15mA. Obciążalność styków przekaźnika to 2A, ale silniczek elektrozaworu podczas kilkusekundowej pracy pobiera jedynie 60mA prądu. Elektrozawory kulowe z silniczkiem występują w kilku odmianach, w tym CR01…CR05 o różnych sposobach sterowania.

W moim przypadku praktycznym problemem okazało się to, że posiadane dwa elektrozawory były „mikroprocesorowego” typu CR05: miały pięć wyprowadzeń, z których trzy powiązane są tylko z dwiema wewnętrznymi mikroprzełącznikami – krańcówkami.

Rys.5 Budowa wewnętrzna elektrozaworów CR05

Na rysunku 5 na żółtej podkładce pokazana jest budowa wewnętrzna posiadanych elektrozaworów CR05. W przedstawianych zastosowaniu najlepsza byłaby wersja CR01 z dwoma tylko wyprowadzeniami, gdzie wewnętrzne krańcówki współpracując z diodami powodują, że podanie napięcia o jednej biegunowości otwiera zawór, a napięcie o przeciwnej biegunowości – zamyka. Aby zmienić działanie z CR05 na CR01, trzeba było rozebrać obudowę i zmodyfikować wewnętrzne połączenia. Fotografia 6 przedstawia wnętrze zaworu po modyfikacji.

Fot.6 Wnętrze zaworu po modyfikacji

Przeróbka nie była trudna, a najwięcej kłopotu było z ponownym złożeniem pokrętła ręcznego otwierania i z uszczelnieniem obudowy. Rysunek 7 pokazuje oryginalne połączenia „mikroprocesorowej” wersji CR05, gdy zawór jest zamknięty. Przycisk krańcówki K2 wchodzi wtedy w wycięcie tarczy, co łączy czerwony przewód z czarnym. Przycisk krańcówki K1 jest wciśnięty i przewód zielony jest odłączony.

W takim stanie należy na silnik podać napięcie o takiej biegunowości, by silnik i zawór zaczęły się obracać w kierunku zaznaczonym zieloną strzałką. Podczas obracania przyciski obu krańcówek będą wciśnięte, a przewody czerwony i zielony – odłączone. Po obrocie o 90 stopni przycisk K1 zostanie zwolniony, bo trafi w wycięcie w tarczy, co połączy przewód niebieski z czarnym (możliwe jest też sterowanie silnika napięciem o jednej biegunowości, o czym przy innej okazji).

Rys.7 Oryginalne połączenia „mikroprocesorowej” wersji CR05
Rys.8 Połączenia po przeróbce na wersję CR01

Rysunek 8 pokazuje połączenia po przeróbce (fot. 6) na wersję CR01, w której po całkowitym otwarciu lub zamknięciu zaworu jedna z krańcówek przerywa obwód i odłącza silnik. W moim modelu przeróbka jest bardziej skomplikowana, by nie rezygnować z pierwotnych funkcji. Choć w pierwszej chwili może tego nie widać, zaznaczone niebieskim kolorem połączenia i dodatkowe diody D3, D4 pozwalają uzyskać informację o tym, czy zawór jest otwarty, czy zamknięty, co może być wykorzystane przy współpracy ze sterownikiem mikroprocesorowym.

W drugiej części artykułu opisane będą obwody kontrolne, przekazujące informacje o stanie systemu za pomocą SMS-ów.

Do pobrania
Download icon Samodzielnie zrealizowany system nawodnieniowy cz.1- sterownik nawadniania (elektrozawory)
Tematyka materiału: elektrozawory
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020
Udostępnij
UK Logo