Как сделать разрыв цепи через кнопку

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 04.10.2024

В моей работе инженера-электронщика на промышленном предприятии часто приходится сталкиваться с контрольными цепями. Оборудование у нас – разных производителей, и такие же разные схемотехнические решения аварийных (контрольных) цепей.

Недавно на работе с коллегами мы проработали эту тему, после того, как произошёл несчастный случай. В данной статье я упорядоченно изложу и поделюсь своими мыслями на этот счёт.

Что такое контрольная цепь

Контрольная цепь – это электрическая схема, которая проверяет, всё ли в порядке с данным оборудованием.

Например, включены все защитные автоматы и мотор-автоматы, не сработала ли тепловая защита, проверяет закрытие всех дверей, люков, наличие ограждений, и тому подобное.

Словом, такая схема даёт возможность предотвратить неправильную или опасную работу оборудования. Иными словами, наличие контрольной цепи позволяет соблюсти технологический процесс и сохранить здоровье и даже жизнь обслуживающему персоналу.

Естественно, контрольные цепи должны обеспечивать с электрической (схемотехнической) точки зрения всё, что я перечислил выше.

Другие названия контрольной цепи – цепь безопасности, защитная цепь, аварийная цепь, и др.

Кстати, ремонт любого промышленного оборудования надо начинать именно с проверки контрольной цепи. Потом – состояние датчиков, и т.д.

В этой статье я постараюсь перечислить и сравнить известные мне варианты схемотехнических решений контрольных цепей.

Составные части контрольной цепи

В более-менее сложных станках и линиях, где присутствует 2 и более двигателя, контрольная цепь (КЦ) обычно делится на две части – аварийная цепь (АЦ) и тепловая цепь (ТЦ).

КЦ = АЦ + ТЦ

Это две разные цепи, поэтому рассмотрим их по отдельности.

Аварийная цепь предназначена для экстренной остановки или невозможности запуска оборудования. Это необходимо прежде всего для безопасности персонала, во вторую очередь – для обеспечения правильности тех.процесса. Основной элемент аварийной цепи – аварийная кнопка.

Аварийный выключатель

Аварийный выключатель конструктивно представляет из себя нормально замкнутые контакты и механизм кнопки, который обеспечивает фиксацию (если она предусмотрена), монтаж, удобство использования в экстренной ситуации.

Аварийный выключатель показан в заголовке статьи, другие модели – ниже:

Аварийный СТОП ИЕК

Категорически не рекомендую использовать в качестве кнопок аварийного отключения кнопки IEK. Они разваливаются через пару нажатий, а в аварийных ситуациях человек может ударить по ней что есть сил, и… она просто не сработает.

Вот аварийная кнопка от Шнайдер Электрик, гораздо надежнее:

Аварийный выключатель Шнайдер

Почему в контрольных цепях нужно применять нормально закрытые контакты

Чтобы проверить нормально открытый контакт, нужно его активировать, то есть нажать. Только тогда станет ясно, замкнулся он или нет. Исправен он, или нет.

А в нормально закрытых контактах через сам контакт постоянно протекает ток, принимая участие в работе схемы. Если нажать на кнопку с нормально закрытыми контактами, она разомкнется. То же самое произойдет, если эти контакты будут неисправны – схема просто-напросто не будет работать. Иными словами, НЗ контакты сами себя проверяют, чего не скажешь о НО контактах.

Путаница начинается, когда заходит речь о мотор-автоматах и защитных автоматах. В НОРМАЛЬНОМ состоянии все контакты, в том числе и контакт тепловой цепи у него разомкнуты. Однако, в РАБОЧЕМ состоянии все контакты у него замкнуты, иначе схема не будет работать. Но на схемах все контакты обозначают именно в НОРМАЛЬНОМ состоянии, то есть разомкнутые.

Ясно, чтобы параллельно (одновременно) работали несколько НЗ контактов, их надо включить последовательно. А несколько НО – параллельно. К слову, иногда встречаются и НО аварийные кнопки. Через них в случае аварии подаётся питание на реле с НЗ контактами. Не рекомендую.

Про различные виды контактов также рассказываю с статье про характеристики и применение датчиков.

Схемы контрольных цепей

Ниже приведу и кратко опишу несколько вариантов схем контрольных цепей. При этом защитные автоматы и другие элементы, не имеющие отношения к теме статьи, не рассматриваем.

Схемы идут в порядке увеличения функциональности, сложности и надежности.

Цепи управления – те цепи, которые управляют силовыми цепями. То есть, выключатели, катушки контакторов и реле, различные вспомогательные контакты и устройства, а также индикация. В настоящее время в основном для управления силовыми цепями используют контроллеры (PLC).

Схема 1. Разрыв цепи силового питания

Аварийный выключатель – это нормально замкнутый выключатель, который размыкает цепь питания при нажатии на него.

В простейшем виде его просто ставят в разрыв ввода питания, и в случае нажатия на него питание со всего оборудования (например, станка) просто убирается.

Схема 2. Разделение цепей управления и силы, гальваническая развязка

В этой схеме силовые цепи (двигатели, и т.п.) питаются напрямую, через свои контакторы и мотор-автоматы. А цепи управления, которые управляют этими контакторами, питаются через контрольную цепь.

Контрольная цепь в этой схеме состоит из контактов Аварийного выключателя ES1, теплового реле RT1, НО контакта мотор-автомата QF1. Когда любой из этих контактов размыкается, цепь рвётся, питание с цепи управления пропадает. Силовая цепь остаётся без управления, и все приводы останавливаются.

Минус схемы – через контакты контрольной цепи идёт весь ток цепи управления. Кроме того, на контактах и проводах (если оборудование имеет большую протяженность) происходит падение напряжения, что негативно влияет на работу цепей управления.

Схема 3. Схема управления питается через контакты реле контрольной цепи

В этой схеме вводится реле контрольной цепи КА1. Это реле через свой НО контакт питает схему управления, когда контрольная цепь собрана.

Схема хороша тем, что через контрольные контакты идёт небольшой ток – всего лишь ток реле. А уже реле может иметь мощные контакты, через которые будет питаться вся схема управления.

Схема 4. Тепловые и аварийные цепи разделены

КЦ. Схема 4. SQ1 – концевой открытия защитной решетки (например)

Соответственно, используются два реле – КА1 и КА2, которые отвечают каждое за свою проверку. Из схемы видно, что пока не будет собрана тепловая цепь, не пройдёт проверку и аварийная. И только когда обе схемы соберутся, поступит питание на схемы управления.

Схема 5. Вводятся кнопки ПУСК и СТОП

КЦ. Схема 5. Стоп не показан, в его роли может быть любая последовательно включенная с ES1 и SQ1 кнопка.

Эта схема отличается тем, что в ней могут использоваться кнопки без фиксации. И благодаря обязательному нажатию кнопки “Пуск машины” персонал подтверждает, что машина может быть запущена. Это является важным фактором безопасности. В предыдущих схемах цепь может собраться без участия человека (самоустранение дребезга), и станок самопроизвольно запустится.

Такая схема также называется нулевая защита – станок не запустится, пока оператор не нажмет кнопку “Пуск”, либо “Готовность”. А кнопка не нажмется, пока не будут приведены в рабочее исходное состояние все элементы схемы.

Схема 6. Добавлена индикация

КЦ 6. Схема с индикацией. ВНИМАНИЕ! Для правильной работы схемы нужно НО контакты КА1 расположить рядом с КА2, последовательно.

В несчастном случае, с которого я начал статью, слесарь на неработающем станке нажал на кнопку “Аварийный стоп” и полез в станок. Ремонтируя станок, слесарь случайно задел датчик, который запустил привод. В результате – человек очутился в травматологии.

Анализируя, почему на сработало выключение контрольной цепи от аварийного стопа, было сделано заключение, что была неисправна именно кнопка Аварийный СТОП. То есть, при нажатии она зафиксировалась, но ввиду механической поломки контакты не разомкнулись. Всё было бы гораздо однозначней, если бы при нажатии Аварийного стопа работала бы соответствующая индикация.

На схеме показаны три лампочки, которые позволяют персоналу однозначно судить о состоянии машины:

L1, нет ТЦ – отключился мотор-автомат, сработала тепловая защита, перегрев двигателя (выключится реле КА1)

L2, нет АЦ – нажата аварийная кнопка, открыт технологический люк, механизм вышел за пределы рабочей зоны (выключится реле КА2)

L3 – Контрольная цепь собрана, что говорит о том, что машина в работе, и может быть опасна.

Эта схема – наиболее предпочтительна с точки зрения быстроты определения неисправности, оценки состояния оборудования, а главное – безопасности.

Современные схемы обеспечения безопасности

Hаука о безопасности не стоит на месте, и вот как можно усовершенствовать вышеприведенные схемы.

1. В схеме 6 реле КА2 включает своими контактами два мощных пускателя, контакты которых включены последовательно и коммутируют питание схемы управления. Этим минимизируется вероятность залипания контактов из-за перегрузки по току или КЗ в КЦ. Кроме того, есть вероятность того, что какое-либо реле “заклинит”, и оно останется включенным при пропадании питания. А чем больше НО контактов включено последовательно, тем меньше такая вероятность.

2. В настоящее время во всём импортном промышленном оборудовании применяется специальный контроллер безопасности, или интеллектуальное реле безопасности. Там логика работы построена так, что риск возникновения опасной ситуации значительно уменьшен. Известные бренды, производящие такие реле – Dold, Pilz, Leuze. Но это уже тема другой статьи.

Пишите в комментариях, как обстоят дела с безопасностью у вас на предприятии, и какие схемы безопасности работают в вашем оборудовании.

С удовольствием, как всегда, отвечу на любые вопросы по теме.

Обновление

Вышла в свет моя новая статья, продолжение этой темы – применение реле безопасности в промышленной аппаратуре. Рекомендую, если дочитали эту статью до конца))

Ещё фото

Вот вариант, как установлена аварийная кнопка в станке. И смех, и грех.

Вариант установки аварийного выключателя

Вон, за решеткой. В случае необходимости к нему можно дотянуться только пальцем. Конструкторская недоработка…

• ГОСТ Р МЭК 60204-1-2007. Безопасность машин / Официальным языком - про безопасность, pdf, 1.1 MB, скачан: 1501 раз./

Кнопка является простейшим устройством, при помощи которого можно управлять ходом программы на микроконтроллере, но физически она выполняет очень простую функцию: замыкает и размыкает контакт. Кнопки бывают нескольких типов:

С фиксацией – кнопка остаётся нажатой после отпускания, без фиксации – отключается обратно.
Нормально разомкнутая (Normal Open, NO) – при нажатии замыкает контакты. Нормально замкнутая (Normal Closed, NC) – при нажатии размыкает контакты.
Тактовые кнопки – замыкают или размыкают контакт. У обычных тактовых кнопок ноги соединены вдоль через корпус (см. картинку ниже). Переключатели – обычно имеют три контакта, общий COM, нормально открытый NO и нормально закрытый NC. При отпущенной кнопке замкнута цепь COM-NC, при нажатой замыкается COM-NO.

Подключение и подтяжка

Из урока про цифровые пины вы помните, что микроконтроллер может считывать напряжение со своей ноги. Соответственно кнопка может подать на пин тот уровень, к которому подключена её вторая нога. В том же уроке мы обсуждали, что не подключенный никуда цифровой пин принимает наводки из воздуха, и считанное с него значение будет практически случайным. То есть подключив к пину 5V (сигнал высокого уровня) через кнопку, мы ничего не добьёмся: при нажатой кнопке на пине будет считываться четкий сигнал высокого уровня, а при отпущенной – случайное значение. Для решения этой проблемы существует такое понятие, как подтяжка (pull) пина. Подтяжка выполняется к земле (pull down) или питанию (pull up) микроконтроллера при помощи резистора. Подтяжка выполняется противоположно принимаемому сигналу, т.е. если нужно ловить высокий сигнал, подтяжка выполняется к земле, если ловить нужно сигнал земли – подтяжка выполняется к питанию. Вот два варианта подключения кнопки, с подтяжкой к VCC и GND соответственно: Как выбирается сопротивление резистора? Тут всё очень просто: при нажатии на кнопку через резистор потечёт ток, так как в любом случае замыкается цепь питание-земля. Чем выше ток, больше потери энергии и нагрев резистора, а это никому не нужно, поэтому сопротивление резистора подтяжки обычно выбирается в диапазоне 5-50 кОм. Если ставить больше – подтяжка может не обеспечить стабильный уровень сигнала на пине, а если ставить меньше – будут больше потери энергии в нагрев резистора: при сопротивлении в 1 ком через него потечёт ток величиной 5 В/1000 Ом = 5 мА, для сравнения плата Ардуино с МК в активном режиме потребляет 20-22 мА. Чаще всего для подтяжки используется резистор на 10 кОм. Как вы помните из урока о цифровых пинах, у МК AVR есть встроенные резисторы для всех GPIO, эти резисторы подключены к питанию (к VCC), то есть буквально дублируют первую схему из этого урока и позволяют не использовать внешний резистор. У микроконтроллеров другой архитектуры бывает подтяжка к GND, или вообще может не быть внутренней подтяжки. При использовании подтяжки к питанию мы получим инвертированный сигнал – функция digitalRead() вернёт 1 при отпущенной кнопке, и 0 при нажатой (при использовании нормально-разомкнутой кнопки). Давайте подключим кнопку на пин D3 (и GND):

Алгоритмы

Отработка нажатия

В большинстве реальных применений работать с текущим состоянием кнопки очень неудобно, например когда действие должно быть выполнено однократно при нажатии на кнопку, т.е. по клику. Чуть усложним конструкцию, добавив один флаг, который будет помнить состояние кнопки. Такая конструкция позволяет отслеживать нажатие и отпускание кнопки и реагировать на них однократно:

Дребезг контактов

Кнопка не идеальна, и контакт замыкается не сразу, какое-то время он “дребезжит”. Прогоняя данный алгоритм, система опрашивает кнопку и условия приблизительно за 6 мкс, то есть кнопка опрашивается 166’666 раз в секунду! Этого достаточно, чтобы получить несколько тысяч ложных срабатываний. Избавиться от дребезга контактов можно как аппаратно, так и программно: аппаратно задача решается при помощи RC цепи, то есть резистора (~1-10k) и конденсатора (~100nF). Выглядит это следующим образом:

Программно можно ввести простейший таймер нажатия, основанный на millis() , время гашения дребезга примем 100 миллисекунд. Вот так будет выглядеть код:

Рекомендуется конечно же использовать аппаратный способ, так как он не нагружает ядро лишними расчетами. В 99.99% проектов будет достаточно программного антидребезга, так то смело используйте конструкцию с millis() .

“Импульсное” удержание

В устройствах с управлением кнопкой очень часто бывает нужна возможность изменения значения как однократно кликом по кнопке, так и “автоматически” с тем же шагом – при удержании. Такой вариант реализуется очень просто, добавлением ещё одного условия в наш предыдущий алгоритм, а именно: если кнопка была нажата, но ещё не отпущена, и прошло времени больше, чем задано – условие вернёт true . В примере ниже периодичность “нажатий” при удержании настроена на 500 миллисекунд (2 раза в секунду):

Пользоваться таким кодом напрямую будет неудобно, поэтому можно “обернуть” его в класс (читай урок про классы и урок про написание библиотек).

Простейший класс кнопки

Вот так предыдущий пример можно сделать классом (мы делали это вот в этом уроке), положить его в отдельный файл (button.h) и пользоваться:

Другие возможности кнопки

Кнопка только с виду кажется простым устройством, дающим 0 и 1, но, подключив фантазию и время, можно придумать гораздо больше применений обычной кнопке. В моей библиотеке GyverButton реализовано очень много всяких интересных возможностей по работе с кнопкой, вот список:

Работа с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми кнопками
Работа с подключением PULL_UP и PULL_DOWN Опрос кнопки с программным антидребезгом контактов (настраиваемое время)
Отработка нажатия, удерживания, отпускания, клика по кнопке (+ настройка таймаутов)
Отработка одиночного, двойного и тройного нажатия (вынесено отдельно)
Отработка любого количества нажатий кнопки (функция возвращает количество нажатий)
Функция изменения значения переменной с заданным шагом и заданным интервалом по времени
Возможность работы с “виртуальными” кнопками (все возможности библиотеки используются для матричных и резистивных клавиатур)

Подробное описание библиотеки можно почитать в заголовочном файле на странице библиотеки, также там есть много примеров.

Аналоговые клавиатуры

Аналоговые клавиатуры – достаточно глубокая тема, достойная отдельного урока (у меня его пока что нет). Максимально подробный урок-исследование можно посмотреть на сайте Codius.

Видео

Вы, наверное, оказывались в таком положении – закрепили неподвижно дрель, надели насадку, и пытаетесь заточить тяпку или топор. Хотите сделать несколько импульсных включений, но для этого нужно убрать одну руку и нажимать на кнопку.

Конечно, это не очень удобно. Особенно когда приходится работать бормашинкой с гибким валом. Собрав из простых подручных материалов ножную кнопку-педаль, как у швейной машинки, вы здорово облегчите процесс работы с электроинструментами.

Для данной самоделки понадобится несколько заготовок фанеры толщиной 10 мм, кусок провода, две петли, железный уголок 50*50 мм, канцелярская скрепка, кнопка включения/выключения, ПВА и некоторые другие материалы.

Основные этапы работ

Первым делом собираем корпус педали из двух одинаковых дощечек фанеры, прикрутив к ним мебельные петли. Нижняя дощечка будет основанием педали, а верхняя нажимной частью. Вместо возвратной пружины мастер использует канцелярскую скрепку. Саморезами прикручиваем её к площадке.

По бокам основания сажаем на ПВА два фанерных уголка, по высоте чуть ниже кнопки. Они будут сдерживать ход педали. Сжимаем конструкцию струбцинами, даём высохнуть клею. Закрепляем саморезами.

Розетку вставляем в деревянную накладку. Для неё предусмотрена тыльная сторона короба. На боковой панели в отверстие вставляем разъём питания, как на компьютере.

Внутри подключаем провода, создаём разрыв цепи через кнопку, после чего подключаем розетку и устанавливаем на место. Наша педаль-переходник готова.

Через это самодельное устройство можно управлять любым электроинструментом. При этом руки остаются свободными, и не нужно отвлекаться на поиск вилки или кнопки.

Немного истории

Существовали и более продвинутые варианты электромагнитных выключателей с дистанционным управлением, где тумблер располагался в салоне и мог устанавливаться в любое удобное (и незаметное) место.

Подобные выключатели являются штатным оборудованием многих российских автобусов и грузовиков

К слову, на военной технике (в том числе и на легковых автомобилях вроде ГАЗ-69 и УАЗах) выключатель массы ВК-318Б был стандартным оборудованием, которое по требованию заказчика устанавливали еще на заводе.

ВК-318Б штатно устанавливался на ульяновские внедорожники. Однако для обычной легковушки он слишком массивен и груб

Как это работает

Коммутация на минусовой клемме Лады Самары: масса кузова (2), основной (силовой) минус (1) и прямой минусовый провод нештатной аудосистемы (3)

При нажатии на кнопку (включении тумблера, повороте флажкового ключа и т. д.) образуется обычная электрическая цепь – то есть, сам выключатель в этот момент бездействует и ток проходит напрямую. При выключении происходит размыкание контактов или разрыв цепи – соответственно, обесточивается и вся бортовая сеть автомобиля.

Поскольку через рабочую цепь уже тогда проходили немаленькие токи (длительные – 50А, кратковременные – 250-270 А), то кроме рабочих подвижных контактов в конструкции выключателя обычно предусматривались так называемые форконтакты, которые брали на себя основной удар при коммутации – то есть, подгорали именно они, а не рабочие контакты выключателя. Это позволяло избежать такого неприятного явления, как переходное сопротивление, из-за чего падали токи и снижалось напряжение в бортсети.

Клемма-выключатель (второе фото) устанавливается на место штатной, не требуя никаких вмешательств в проводку

Нужен или нет?

Такая цифра на дисплее мультиметра должна не пугать, а радовать!

Однако даже если откинуть негативные факторы, связанные с обнулением памяти в ЭБУ и остальных блоках, подобное отключение приводит к неизбежному расшатыванию клемм автомобиля и выводов батареи. А ведь на многих современных машинах клеммы выполнены не из латуни или свинца, а просто отштампованы из довольно тонкого металла.

Такую клемму нельзя постоянно снимать и ставить

После десятка-другого таких манипуляций клеммы деформируются и принимают довольно жалкий вид. Хуже другое: деформированная клемма не обеспечивает надёжного контакта, а значит, в этом месте возникает переходное сопротивление. По этой причине в случае, если возникает регулярная необходимость в обесточивании бортсети, нужно приобрести и установить выключатель массы. Кстати, необходимость в нём может возникнуть не только из-за технической неисправности или нештатных потребителей – к примеру, машина выходного дня эксплуатируется крайне нерегулярно или только в определённый сезон. Или просто батарея старая и её фактическая ёмкость куда меньше номинальной. Во всех этих случаях выключение массы позволит убрать такой фактор, как разряд батареи бортовыми потребителями. А вот внутреннего саморазряда батареи не стоит бояться – если она чистая, исправная и заряженная, то может храниться без внимания со стороны владельца до 6 месяцев.