Разработка прототипа устройства по обеспечению бесперебойного электроснабжения узла связи на базе аппаратно-вычислительной платформы Arduino

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматриваются различные категории электроснабжения электроприемников. Подробно описываются микроконтроллеры платформы Arduino, их достоинства и недостатки. Сравниваются различные подходы построения переключателей нагрузки в разрабатываемом устройстве. Приводится схема прототипа устройства по обеспечению бесперебойного электроснабжения узла связи, подробно рассказывается о технических характеристиках его компонентов. Также в данной статье рассматривается фрагмент программного кода, написанного в Arduino IDE, для разрабатываемого прототипа устройства.

ABSTRACT

In this article, various categories of power supply for electric receivers are considered. Microcontrollers of the Arduino platform, their advantages and disadvantages are described in detail. Various approaches to constructing load switches in the device under development are compared. The diagram of the prototype device for ensuring uninterrupted power supply to the communication node is given, and the technical characteristics of its components are described in detail. This article also discusses a fragment of program code written in the Arduino IDE for the device prototype being developed.

Ключевые слова: платформа Arduino Mega 2560, АВР, переключатели нагрузки, узел связи, бесперебойное электроснабжение, Arduino IDE.

Keywords: platform Arduino Mega 2560, automatic activation of the reserve, load switches, communication node, uninterrupted power supply, Arduino IDE.

При построении узлов связи важным аспектом является обеспечение их необходимым электроснабжением.

В соответствии с приказом Министерства информационных технологий и связи РФ от 13 марта 2007 г. № 32 средства связи сети связи общего пользования, выполняющие функции систем коммутации и являющиеся электроприемниками разделяют на три категории [1]:

1. Электроприемники I категории, в которых перерыв электроснабжения может привести к опасности для жизни людей. Здесь может выделяться особая группа I категории надёжности.
2. Электроприемники II категории, в которых перерыв электроснабжения может привести к массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта.
3. Электроприемники III категории - все остальные электроприемники, не приводящие к такому ущербу, как в I и II категории.

Электроснабжение I категории в нормальном режиме осуществляется от двух независимых взаимно резервирующих источников электропитания электрических сетей с применением автоматического ввода резерва (АВР) для обеспечения бесперебойности. Одним из возможных подходов по созданию АВР может быть использование аппаратно-вычислительной платформы Arduino в качестве головного устройства и силовой части в качестве переключателя нагрузки, что и будет рассмотрено в данной статье. Для особой же группы I категории применяется третий независимый источник электропитания, в качестве которого может использоваться автоматизированная дизельная электрическая станция (АДЭС). Также для обеспечения бесперебойности электроснабжения на время переключения с одного источника электропитания на другой могут применяться аккумуляторные батареи с расчётным временем разряда не менее 8 часов.

Далее будем считать, что узел связи относится к особой группе I категории надежности, а остальные категории электроснабжения в данной статье рассмотрены не будут.

Для разрабатываемого прототипа устройства будет использоваться платформа Arduino, поэтому рассмотрим ее достоинства и недостатки.

Основные преимущества платформы Arduino:

1. Низкая стоимость – платы Arduino стоят значительно дешевле в сравнении с другими аналогичными платформами.
2. Кросс–платформенность – программное обеспечение (ПО) Arduino может функционировать под ПО Linux, Windows, Macintosh OSX.
3. Простая и понятная среда программирования – среда Arduino IDE подходит как для начинающих, так и для опытных специалистов.
4. Питание платы Arduino, ее программирование и обмен сообщениями с ней осуществляется с использованием всего одного USB кабеля.

Недостатки платформы Arduino:

1. Нет простого способа регулирования тактовой частоты.
2. Платформа Arduino обладает достаточно скромными возможностями для реализации сложных проектов в плане оперативной (энергозависимой) памяти SRAM.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что платформа Arduino является подходящей для реализации разрабатываемого прототипа устройства. Теперь определимся с выбором конкретной платы Arduino. Наиболее популярными  моделями являются:

1. Arduino Uno (стандартный размер, 20 входов-выходов);
2. Arduino Nano (уменьшенный размер, 22 входа-выхода);
3. Arduino Mini (еще более уменьшенный размер, 20 входов-выходов).
4. Arduino Mega 2560 (увеличенный размер, 70 входов-выходов) [2].

Основные технические характеристики плат Arduino представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Основные технические характеристики плат Arduino

Анализ основных технических характеристик (таблица 1) показал, что для разработки прототипа устройства по обеспечению бесперебойного электроснабжения узла связи лучше всего подходит плата Arduino Mega 2560, благодаря наличию большого количества цифровых и аналоговых входов/выходов, а также хорошим ёмкостным характеристикам. На рисунке 1 представлен внешний вид платы Arduino Mega 2560.

Рисунок 1. Плата Arduino Mega 2560

Для разработки прототипа устройства по обеспечению бесперебойного электроснабжения узла связи помимо микроконтроллера необходимо подключение силовой части (переключателей нагрузки). Проведенный анализ показал, что основными вариантами их исполнения являются:

1) Тиристорный (электронный) АВР, в котором используются статические переключатели нагрузки, а именно мощные тиристоры, обеспечивающие минимальное время переключения между вводами.

Преимущества:

1. Быстрое переключение.
2. Переключение между вводами никак не сказывается на электроснабжении потребителей электроэнергии.

Недостатки:

Основным недостатком является очень высокая стоимость.

2) Электромеханический АВР на контакторах, в котором применяются контакторы с взаимной электрической и электромеханической блокировкой совместно с реле контроля фаз.

Преимущества:

1. Дешевизна.
2. Возможность выполнения защитных функций (высокий ток, короткое замыкание).

Недостатки:

Основным недостатком является не такое быстрое переключение по сравнению с  тиристорным АВР (от 16 до 120 мс).

3) Электромеханический АВР на управляемых переключателях с электроприводом, в основе которого лежит использование рубильника с приводом, управляемым контроллером.

Преимущества:

1. Высокая ремонтопригодность.
2. Возможность замены моторного привода или контроллера без демонтажа щита АВР.

Недостатки:

1. Относительно высокая стоимость.
2. Отсутствие защитных функций.

4) Электромеханический АВР на автоматических выключателях с электроприводом.

Благодаря своим достоинствам, а также незначительным недостаткам, в разрабатываемом прототипе устройства будет использоваться электромеханическое АВР на контакторах. Только вместо реле контроля фаз воспользуемся обычными реле, которые будут в зависимости от наличия напряжения на своих управляющих контактах, замыкать цепь прохождения сигналов управления от драйвера мотора. Осуществляется это для упрощения общей схемы щита, но при необходимости возможно использование реле контроля фаз для той же функции, но с возможностью регулирования напряжения, частоты, временных задержек на перевод нагрузки. Также для предотвращения одновременной подачи электропитания с нескольких вводов можно применять механическую блокировку.

С учетом выбранного микроконтроллера и переключателя силовой нагрузки общая схема устройства по обеспечению бесперебойного электроснабжения узла связи на базе аппаратно-вычислительной платформы Arduino будет иметь вид, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2. Общая схема устройства по обеспечению бесперебойного электроснабжения узла связи на базе аппаратно-вычислительной платформы Arduino

Проведем краткий обзор комплектующих данного устройства.

Драйвер L298N (рисунок 3) применяется для многофункционального управления двигателями постоянного тока. В нашем устройстве он  осуществляет подачу сигналов на командные входы, выполненные в виде штыревых контактов, которые буду подключены через реле к входам Arduino. А также он осуществляет питание микроконтроллера и релейного модуля [4].

Рисунок 3. Драйвер L298N

Основные технические характеристики  драйвера L298N:

• Напряжение питания логики: 5V;
• Потребляемый логикой ток: 36mA;
• Рабочий ток драйвера: 2А.

Электромеханическое реле (рисунок 4)

Рисунок 4. Электромеханическое реле

Основные технические характеристики  электромеханического реле:

• Контрольное напряжение: 220-240В переменного тока.
• Контактная нагрузка 5А.

RelayModule-5V-8 (рисунок 5) - это восьмиканальный модуль реле на 5В, управляемый с помощью контролера Arduino. Релейный модуль позволяет прибору с питанием 5 В управлять нагрузкой под переменным напряжением 220 В. Релейный модуль RelayModule-5V-8 имеет 8 каналов управления, каждый управляется своим входным сигналом. Входные части схем каналов имеют общее питание 5 В [3].

Технические характеристики RelayModule-5V-8:

• Напряжение питания: 5 В;
• Потребляемый ток: 15 мА - 20 мА;
• Номинальный ток нагрузки: 10 А;

Питание релейного модуля осуществляется или от управляющего устройства, или от внешних источников питания (блоков питания, батарей).

Рисунок 5. RelayModule-5V-8

Регулятор напряжения TENSTAR ROBOT XL6009 DC-DC  (рисунок 6)

Рисунок 6. Регулятор напряжения TENSTAR ROBOT XL6009 DC-DC

Основные технические характеристики регулятора напряжения:

• Входное напряжение: 5… 35В;
• Максимальный выходной ток: 4А.

В качестве управляющего элемента разработанного прототипа используется плата Arduino Mega 2560, для которой написан программный код, фрагмент которого представлен на рисунке 7.

Рисунок 7. Фрагмент скетча для разработанного устройства в программной среде Arduino IDE

Таким образом, с использованием микроконтроллера Arduino Mega 2560 и переключателей нагрузки, выполненных на базе контакторов и электромеханических реле, разработано недорогое и надежное устройство, позволяющее переключать питание автоматически и бесперебойно с разных вводов, что сейчас очень востребовано на узлах связи.

Список литературы:

1. Россети центр / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://www.mrsk-1.ru/customers/services/additional/faq/category/
2. Arduinoplus / [Электронный ресурс]. –Режим доступа: URL: https://arduinoplus.ru/mikronontroller-arduino/
3. Robot-kit / [Электронный ресурс]. – Режим доступа:URL:  https://robot-kit.ru/3297/
4. 3D-DIY / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL:  https://3d-diy.ru/wiki/arduino-moduli/drayver-dvigatelya-l298n/