Схема автоматического управления насосом

Электронное устройство для автоматического поддержания уровня воды в загородной системе водоснабжения.
Как организовать механизм аварийного отключения насоса при выходе из строя одного из датчиков?

Так или иначе, но все устройства автоматического управления водяными насосами преследуют одну цель – повысить комфортность рядового сельского жителя (и иже с ним – дачника) до уровня среднестатистического буржуя. Поэтому селянину для полноценной жизни необходима вода, которая, как известно, не только река или болото, но и самая важная в жизнедеятельности организма вещь. Вёдра, коромысла и прочую архаичную атрибутику отметаем сразу, тазики для мытья – туда же, не для того мы выползали из воды в процессе эволюции.
А нужен нам, друзья мои, колодец!!! А вместе с ним большая накопительная ёмкость на чердаке, в которую вода закачивается из упомянутого выше гидросооружения. Ясен пень, что для поддержания необходимого запаса воды эту ёмкость придётся периодически пополнять. А для того чтобы нас не постиг грех уныния, лучше эту изнурительную работу поручить холопам, ну а в нашем конкретном случае – насосу и несложному электронному автомату.

Из всего многообразия устройств автоматического управления насосом мой выбор пал на публикацию в журнале «Радиоконструктор» (РК-2016-03) под авторством В. Гайсакова. Главным преимуществом этого автомата является построение схемы управления на RS-триггере, что исключает эффект "дребезга" в приграничных (между водой и датчиками) областях. Для начала приведу описание от автора, а в конце – вариант модификации по повышению надёжности устройства, которой, как известно, много в водоналивном хозяйстве не бывает.

Автоматическое управление водяным насосом (Гайсаков, РК-2016-03)

Схема автомата изолирована от электросети, поэтому абсолютно безопасна для пользователя водопровода. Для определения уровня воды в резервуаре используются три щупа из нержавеющего металла (автор использовал три шампура из нержавеющей стали). Два из них опущены на глубину почти до дна резервуара. А один сделан короче, так что бы контактировал с водой при полном резервуаре.
Резервуар – пластмассовый «еврокуб», в него помещается один кубометр воды. Для установки датчиков в верхней стенке «еврокуба» просверлены три отверстия по размеру пробок от винных бутылок, так чтобы они туда туго вставлялись. В пробках прорезаны меньшие отверстия, в которые вставлены вышеуказанные шампуры (от шашлычного набора).
Длина одного шампура почти равна одному метру, второй может быть такой же длины или чуть короче. Вот таких два штыря служат датчиками Е2 и Е3, они опущены почти до дна «еврокуба». А третий шампур укорочен до 15 см. Это датчик Е1, он контролирует верхний предел заполнения «еврокуба».



Рис.1 Схема устройства автоматического управления водяным насосом

Когда «еврокуб» пуст, то все датчики с водой не контактируют. На входы логического элемента D1.3 поступает напряжение высокого уровня через резистор R4 от источника питания. При этом на выходе D1.3 будет логический ноль. Он поступает на вывод 5 элемента D1.2, образующего вместе с элементом D1.1 обычный RS-триггер с инверсными входами.

Так как на выводе 6 D1.2 – ноль, триггер устанавливается в такое состояние, когда на выходе D1.1 так же ноль, а на выходе элемента D1.4 возникает логическая единица. Ток с выхода D1.4 через резистор R6 поступает на базу транзистора VТ1, тот открывается и реле К1, обмотка которого включена в его коллекторной цепи, своими контактами подключает насос к электросети.
Насос начинает накачивать воду в «еврокуб». Сначала погружаются датчики Е2 и Е3. На входах элемента D1.3 устанавливается логический ноль, на его выходе единица. Но RS-триггер на D1.1 и D1.2 своего состояния не меняет. Как только уровень воды достигает датчика Е1, на выводе 1 D1.1 устанавливается логический ноль. RS-триггер переключается и теперь на выходе D1.4 – ноль. Транзистор VТ1 закрывается и реле К1 выключает насос. «Еврокуб» заполнен.

В дальнейшем, на различные нужды вода из «еврокуба» расходуется, и её уровень в нем понижается ниже датчика Е1. Напряжение на выводе 1 D1.1 поднимается до логической единицы, но на состояние RS-триггера это никак не влияет. Насос будет включен только тогда, когда «обсохнет» датчик Е3.

В устройстве использовано реле К1 фирмы «Bestar» типа BS-115C-12A-12VDC с обмоткой на 12V и контактами на 240V и 12А. Реле можно заменить любым аналогом, полным или функциональным. Если это не полный аналог – потребуется внести изменения в монтаж.
Транзистор КТ604АМ можно заменить на любой КТ602, КТ603, КТ604 или КТ815.
Диоды 1N4004 – любые диоды на напряжение не ниже 400V.
Микросхему К561ЛА7 можно заменить на К176ЛА7 или зарубежным аналогом.

Печатная плата и схема монтажа показаны на рисунке 2.



Рис.2 Плата и расположение деталей автомата управления насосом

В принципе, налаживания никакого не требуется. Если все детали исправны и нет ошибок в монтаже, должно работать сразу. Единственно, может потребоваться подбор R2 и R4. Если в воде мало примесей, то её токопроводность низка, и их сопротивление, в таком случае, придется увеличить.

Данный автомат можно применить там, где есть центральный водопровод, но работает с перебоями, для заполнения резервного резервуара, заменив насос на электромагнитный клапан.

Литература: Афанасов В. И. «Автомат для сельского водопровода». РК2011, 3


Ну вот как-то так. Вроде бы всё и хорошо, но что-то определённо смущает! А собака с почестью зарыта вот где:
Опасность практически всех простых устройств состоит в отсутствии системы защиты от внештатных ситуаций, связанных с выходом из строя одного из датчиков. В приведённой выше схеме такая неприятность может произойти при оседании солей на щупах, что со временем неизбежно приведёт к потере их проводимости. Причём в данном устройстве достаточно отсутствия проводимости у одного из щупов для того, чтобы схема управления "забыла" сформировать сигнал на отключения насоса (со всеми вытекающими негативными последствиями).
Кстати, поплавковые датчики также имеют тенденцию иногда "подзастрять" в водной среде, поэтому, хочешь не хочешь, но механизм аварийного выключения насоса при достижении некоего критического уровня – весьма желательная приблуда в любом типе устройств.
А это, в свою очередь, накладывает требование к наличию ещё одного датчика, который должен реагировать на достижение водой этого критического уровня. Тип этого датчика может быть абсолютно любым, главное, чтобы он в стандартном рабочем режиме не контактировал с водой, т. е. не был подвержен её тлетворному влиянию. В простейшем случае это могут быть два коротких нержавеющих штыря под крышкой бака, которые также, как в описанной выше статье будут реагировать на замыкание водой.

С учётом этого требования модифицируем схему, изображённую на Рис.1.


Рис.3 Схема устройства автоматического управления водяным насосом с механизмом аварийного отключения

Здесь, также как в автомате, приведённом на Рис.1, основное управление насосом осуществляется при помощи RS-триггера на элементах DD1.2, DD1.3.
Отличием данной схемы от прототипа является наличие ещё одного дополнительного RS-триггера (DD2.3, DD2.4), реагирующего на заданный (аварийный) уровень воды.

Рассмотрим принцип работы данного устройства управления водяным насосом.
В момент замыкания включателя S1 на устройство подаётся напряжение питания. При этом на входе элемента триггера DD2.3 через конденсатор С2 и инвертор DD2.1 формируется короткий импульс отрицательной полярности, устанавливающий его выход в состояние высокого уровня. Этот высокий уровень подаётся на один из входов элемента DD1.4, что приводит к стандартной работе автомата, подробно описанной в статье В. Гайсакова.

В случае выхода из строя датчиков Е1 или Е2, насос будет продолжать работать до тех пор, пока уровень воды не достигнет момента срабатывания аварийного датчика. В это же мгновение выход элемента DD2.3 установится в состояние низкого уровня. Далее по цепочке DD1.4, DD2.2 этот низкий уровень перекинется на затвор ключевого транзистора VT1, что, в свою очередь, приведёт к размыканию реле и аварийному отключению насоса.
Причём для того, чтобы вновь вернуться к рабочему режиму – недостаточно понизить уровень воды, а необходимо выключить-включить тумблер S1, само собой, устранив в промежутке причину неисправности.

Светодиод VD1 (зелёный) индицирует нормальный рабочий режим автомата, VD2 (красный) указывает на аварийное отключение. Светодиоды желательно выбрать из числа сверхярких, в этом случае при токах, заданных резисторами R8, R9, недостатка в световом потоке не будет. Сильно уменьшать номиналы резисторов – не рекомендуется!