Oselin Albano D.I.

studio ed industrializzazione di prodotti elettronici Via Rivoli, 36 bis 10090 Rosta (Torino) ITALY

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MICROCONTROLLORE PER CALDAIE A GAS

Descrizione tecnica

funzionale

Descrizione dei criteri di sicurezza adottati

PROGETTO: FUSE

DESCRIZIONE GENERALE

L’apparecchiatura è realizzata da due schede che sono connesse tra di loro con un connettore in linea.

Le due schede sono previste una per la parte digitale del circuito, 

l’altra è dedicata ai circuiti di potenza.

Questa suddivisione dei circuiti consente una alta immunità ai circuiti e consente future realizzazioni modulari e la possibilità di eventuali aggiornamenti delle schede stesse.(upgrading)

La piastra di potenza include il circuito filtro rete, i circuiti di uscita di potenza AC, il circuito d’accensione, il circuito del sensore fiamma e l’alimentatore per tutti i circuiti.

Il circuito stampato è realizzato in modo di garantire nei circuiti a 230Vca una distanza di almeno 3 mm tra le tracce del circuito stesso. Le connessioni di collegamento alla caldaia sono realizzate con connettori ad innesto con ritegno, disposti in modo comodo e accessibile sulla scheda.

La piastra digitale contiene il microcontrollore, le interfacce di controllo e i circuiti associati, il controllo della valvola di modulazione, gli optoisolatori per gli ingressi analogici-digitali e l’interfaccia di comunicazione RS485 per futuri sviluppi e sistemi di controllo e programmazione a distanza. Questa interfaccia, protetta contro la possibilità di corto-circuito della linea, è utilizzabile anche per reti di controllo che si stanno sviluppando con finalità di Casa intelligente.

Nella scheda è previsto un display a 2 digit che consente di visualizzare con precisione sia la temperatura di caldaia che le temperature d’impostazione per la temperatura acqua caldaia o sanitari.

Il display consente in caso di blocco dell’apparecchiatura, di fornire tutta una serie di messaggi d’errore utili ad indirizzare l’intervento dell’utilizzatore ed eventualmente del servizio assistenza.

RIFERIMENTO ALLA NORMATIVA EEC

La normativa Europea adottata per la realizzazione dell’apparecchiatura è la seguente :

EN 298 - Automatic gas burner control systems for gas burners and gas burning appliances with or without fans

DESCRIZIONE SPECIFICHE TECNICHE

(hardware)

1.1 INTERFACCIA ELETTRICA

Vengono elencati i vari segnali presenti sui connettori.

1.1.1 Ingressi ON/OFF bassa tensione

Tali ingressi richiedono un contatto ‘pulito’; il potenziale a contatto aperto e’ di circa 24 Vcc, mentre la corrente a contatto chiuso (di bagnatura) e’ di circa 5 mA. Tutti gli ingressi sono protetti dal campo mediante optoisolatore,

Ogni possibile guasto dei componenti può consentire la non attivazione della caldaia ma in nessun caso una falsa accensione, secondo la norma EN298.

Tutti i contatti sono riferiti con alla massa comune; la connessione dei contatti è fatta sulla piastra di potenza con interposizione di optoisolatore e di circuiti associati della piastra digitale. In caso di non utilizzo del ventilatore per il tiraggio forzato dei fumi, tutti i componenti sull’ingresso sensore (PA) possono essere non montati.

1.1.2 Ingressi analogici bassa tensione

L’unico ingresso previsto e’ per il sensore NTC di temperatura caldaia. La tensione massima presente a circuito aperto e’ di 5 Volt c.c., e’ prevista una barriera di protezione/condizionamento del segnale. Il segnale suddetto viene successivamente applicato ad un ADC integrato nel microprocessore. Il software prevede il rilevamento sia di circuito aperto, sia di circuito chiuso.

1.1.3 Uscite potenza ON/OFF a 230 Vac

Tali uscite pilotano i vari carichi, sono realizzate con relais a normativa IEC255. Ai fini della sicurezza sono previsti :

1. il collegamento in serie dei contatti d’uscita

2. l’attivazione di entrambi i rami di alimentazione delle bobine

3. la generazione di un segnale di feedback (signature) che identifica lo stato dei vari relais ogni 100ms.

4. Ogni carico ha il neutro in comune e ne viene attivata/disattivata la fase, sono previsti circuiti snubber anti-arco su ogni contatto. Sulla linea di alimentazione sono previsti due fusibili, sono inseriti in connessione delta tre VDR. Due filtri LC provvedono al filtraggio della rete per rientrare nelle specifiche EMC.

La valvola di Flusso gas e’ posta direttamente in serie alla valvola(e) del gas sul comune (neutro).

In caso di assenza della VALVOLA GAS 2 e’ possibile non montare il relais di attivazione con i relativi componenti.

1.1.4 Uscite analogiche bassa tensione (24Vcc).

L’unica uscita di questo tipo prevista e’ dedicata al controllo dell’elettrovalvola proporzionale, con comando in corrente 60..165 mA e voltage-compliance di 24 Vcc. Tale uscita e’ controllata da uno stadio di potenza lineare a transistor (unipolare) e un OP-AMP di feedback in corrente. Il pilotaggio dell’OP-AMP arriva , previo filtraggio passa-basso, da un’uscita PWM del microcontrollore.

L’uscita e’ protetta dai cortocircuiti.

1.1.5 Sezione accensione/controllo fiamma

E’ costituita da :

a) uscita alta tensione 20KV FASTON 2.8x 0.5 su Trasformatore 2 fili

2. ingresso ionizzazione FASTON 6.3x 0.8 su PCB 2 fili

Un filo delle uscite alta tensione e ingresso ionizzazione deve essere collegato a massa.

1.1.6 Ingresso alimentazione 230 Vac e termostato ambiente/orologio

E’ previsto un connettore ad innesto a 6 poli per il collegamento della linea di alimentazione e di controllo.

Tale connessione è prevista con morsetti a serrafilo per poter effettuare agevolmente i collegamenti da parte dell’installatore. Risulta ulteriormente facilitata l’eventuale sostituzione per guasto dell’apparecchiatura di controllo senza manomettere i collegamenti di linea e del termostato ambiente e/o orologio programmatore.

1.2 PANNELLO FRONTALE / COMANDI

1.2.1 IMPOSTAZIONI DIGITALI

Tale soluzione consente l’impostazione numerica delle temperature, la lettura della temperatura caldaia.

Sono previsti :

1. Display decimale 2 cifre LED 7 segmenti

• riporta la lettura di una delle 3 temperature

• risoluzione 1 grado C

2. Pulsanti UP/DOWN

• consente variazione di setpoint su o giu’ di 1 grado

2. Pulsante SET

• commuta la modalità su 3 opzioni :

1. CALDAIA (default) visualizzaz. Temp. caldaia

2. RISCALD visualizzaz. Temp. RISCALDAM

possibile modifica con UP/DOWN

3) SANITARI visualizzaz. Temp. RISCALDAM

possibile modifica con UP/DOWN

4. LED RIS

• indica lo stato di impostazione temperatura riscaldamento.

• dopo 10 sec. di inattività dei pulsanti UP/DOWN, il sistema

decade alla lettura temp. caldaia

 

e) LED SAN

• indica lo stato di impostazione temperatura sanitari

• dopo 10 sec. di inattività dei pulsanti UP/DOWN, il sistema

decade alla lettura temp. caldaia

 

6. LED CAL

• Indica lo stato di visualizzazione sul display della temperatura di caldaia

6. LED DI BLOCCO

• Indica la condizione di blocco per anomalia di funzionamento, contemporaneamente il display segnala il tipo di guasto verificatosi.

(vedere la tabella dei guasti)

 

ELENCO COMANDI:

1.3 IMPOSTAZIONI DIP-SWITCHES E JUMPERS

Sono disponibili 2 DIP switch sui quali si possono impostare i seguenti parametri :

1.3.1 TIMER [DIP 1]

IN POSIZIONE OFF = ESCLUSO

IN POSIZIONE ON = Inserisce un tempo di ritardo di 120 sec alla riaccensione in modalità riscaldamento.

 

1.3.2 TEMPO PREVENTILAZIONE [DIP 2]

Posizione aperta : 1.5 sec (dopo chiusura del contatto del pressostato aria)

Posizione chiusa : 30 sec

I ponticelli (jumper) seguenti sono eseguiti su richiesta del Cliente dal costruttore della scheda:

1.3.3 VENTILATORE [JP 3]

Presenza di ventilatore (V) e pressostato (PA)

Posizione aperta : (V) e (PA) presenti

Posizione chiusa : (V) e (PA) assenti

1.3.4 DISPLAY o POTENZIOMETRI [JP 4]

Settaggio digitale o analogico

Posizione aperta : digitale (display+pulsanti)

Posizione chiusa : analogica (potenziometri)

1.3.5 VALVOLE GAS [JP 5]

Configurazione a 1 o 2 valvole gas.

Posizione aperto : 1 valvola

Posizione chiuso : 2 valvole

1.3.6 OTTAVI DI GRADO [JP6]

Posizione aperta : Temperatura caldaia in gradi

Posizione chiusa : ottavi di grado centigrado (00-07)

1.4 MEMORIA NON VOLATILE

E’ costituita da una Eeprom seriale, su tale memoria sono presenti :

1.4.1 CURVA TARATURA NTC

E’ realizzata tramite un insieme di 32 punti di cui sono memorizzate le coordinate

di tensione adimensionata (lettura ADC) e temperatura corrispondente. In caso di

mancanza del punto rappresentativo l’effettiva temperatura viene ricavata tramite

interpolazione lineare.

1.4.2 MODELLO APPARECCHIATURA

Stringa alfanumerica ASCII di 10 caratteri.

1.4.3 NUMERO SERIALE

Numero di serie apparecchiatura espresso su 4 byte.

Tipo dato : numero intero su 32 bit non segnato.

Range : 0 - 4.294.967.295

1.4.4 TEMPERATURE RIS/SAN

Temperature di SET point relative alle due modalità di funzionamento.

Tale memorizzazione e’ utile solo nel caso di impostazione digitale.

1.5 INTERFACCIA SERIALE

E’ prevista una interfaccia seriale RS485 compatibile a due fili.

La velocita’ di comunicazione e’ di 9600 baud, no parity, 8 bits, 1 stop bit.

Il connettore e’ un RJ-11 a 4 fili, e’ presente anche una alimentazione ausiliaria a 12 V non regolata.

1.6 CRITERI HARDWARE

1.6.1 Criteri a livello componente.

Si fa qui riferimento alla appendice A1 (Modi di guasto componenti) della normativa EN298, dalla quale si

ricavano i seguenti criteri :

1. Resistenze : si opta per resistenze a pellicola sottile, dovunque possibile. In tutti gli altri casi il cortocircuito del

   componente non deve essere critico.

2. Condensatori : sui percorsi a 230 Vac si adottano dispositivi a classe Y, sulla bassa tensione il cortocircuito

   e’ reso meno critico dalla filosofia circuitale.

3. Optoisolatori : conformi EN60335-1

4. Rele’ : conformi alla IEC 255

5. Trasformatori : conformi alla EN60742

1.6.2 Criteri a livello progettuale.

A livello progettuale si è studiato il tipo di guasto a livello di componente e l’effetto complessivo sul sistema, il quale è stato valutato in base alla tabella C2 della citata norma. A livello di filosofia si puo’ dire che sono previsti vari meccanismi di autoverifica durante il funzionamento; la scelta di integrare piu’ funzioni possibili a bordo del microcontrollore non puo’ che rendere piu’ affidabile l’intero sistema. Il microcontrollore scelto infatti integra a bordo ROM, RAM, ADC, watchdog, voltage supervisor, I/O intelligente. E’ possibile per esempio verificare dinamicamente se un pin di uscita fisico segue lo stato programmato, infatti una rilettura rispecchia lo stato del pin fisico e non del registro di stato interno, permettendo quindi di rilevare eventuali cortocircuiti a massa o a Vcc.

Le sezioni piu’ critiche del sistema quali ad esempio i relays di uscita sono dotate di feedback e collegate direttamente al chip con la minima circuiteria interposta; mentre per altre meno critiche si interpongono comunque resistenze di limitazione per proteggere il microcontrollore da latch-up o extracorrenti.

Il watchdog e’ ancorato ad un clock interno al microcontrollore ottenuto da un oscillatore RC, quindi anche un guasto sul quarzo dell’oscillatore viene rilevato. Rispetto ai limiti di tensione, corrente e potenza dissipabile sono previsti in generale margini anche più ampi di quanto riportato sull’appendice B, prospetto B1 della norma EN298.

1.7 ALTRE CARATTERISTICHE

Temperatura operativa : 0 - 70 °C

Alimentazione : 230Vac 50/60 Hz +10% / -15%

Potenza dissipata max : 20 VA

DESCRIZIONE FUNZIONALE

(software)

2.1 LOGICA DI FUNZIONAMENTO

Ai fini della descrizione della logica funzionale, vengono adottate la terminologia e le definizioni come

riportate nella normativa EN298, paragrafo 3.

2.1.1 CONDIZIONI AVVIO REGOLAZIONE

La sequenza di avvio accensione viene attivata nel caso si verifichi uno qualsiasi dei seguenti eventi:

1. solo in modalità Inverno : su chiusura contatto <OP/Ta> relativo al termostato ambiente ed

   all’orologio programmato.

2. in caso di intervento del contatto antigelo <Tg>

3. su richiesta valvola di flusso sanitari.

In caso di funzionamento in modalità Inverno e a fiamma gia’ accesa, qualora giunga la richiesta

SANITARI, viene solo commutata la funzione di regolazione della modulazione di fiamma.

Una qualsiasi delle attivazioni previste alimenta la pompa di circolazione <C> e abilita la logica di

regolazione.

2.1.2 ARRESTO DI REGOLAZIONE

Avviene nel caso di raggiunta temperatura di caldaia; la temperatura fissata dipende dalla modalita’

di funzionamento e viene memorizzata dall’utente, l’isteresi di regolazione e’ di:

1. Riscaldamento : 10 gradi C

2. Sanitari : 2.5 gradi C

2.1.3 SEQUENZA ACCENSIONE

In caso si verifichi una richiesta d’accensione da parte della logica di regolazione viene attivata la seguente procedura :

1. si verifica il corretto stato delle uscite, in caso contrario si attiva il blocco di sicurezza [S0]

2. si verifica l’assenza di fiamma, in caso di presenza si attiva il blocco di sicurezza [S1].

3. nel caso sia previsto il ventilatore, si attiva la sottosequenza :

d.v.1) si alimenta il ventilatore <V>

d.v.2) Si attende che entro il tempo di preventilazione (TPW) si attivi il pressostato, in caso

contrario si attiva il blocco [S2]; da questo momento una mancanza di segnalazione

del pressostato aria avvia il blocco di sicurezza [S2]

5. si attende il tempo di ventilazione(TW).

   Fino alla fine di questa fase si verifica l’assenza di fiamma, in caso di presenza si attiva

   il blocco di sicurezza [S1].

1. Si attiva il circuito di accensione, dopo 100 msec si apre la valvola del GAS numero 1.

2. Se entro il tempo di accensione (TS) la fiamma non e’ rilevata, saltare al punto (k)

3. Se la fiamma e’ rilevata, si disattiva il circuito di accensione. Da questo momento una mancanza

di fiamma fa saltare al punto (k).

1. in caso di impianto con 2 valvole del gas, parte ora un temporizzatore di durata TS2. In caso

di funzionamento corretto del tutto ed alla fine del tempo prefissato, viene aperta la seconda valvola

gas.

10. un arresto di regolazione disattiva la/e valvola/e del gas, dopo un tempo di post-ventilazione

(TV) viene disattivato il ventilatore <V>.

11. Entro un tempo massimo di 1 secondo viene disattivata la/e valvola/e del gas.

1. si avvia un nuovo ciclo di riaccensione come ai punti e),f),g). In caso di fallimento si procede

al blocco di sicurezza [E0].

 

Le indicazioni di 2 caratteri riportate tra parentesi quadre vengono visualizzate sul display a 2 cifre

onde facilitare la diagnostica e la riparazione della caldaia.

2.1.4 RESET di BLOCCO

In caso di blocco di sicurezza, tutti i carichi vengono disattivati ed il sistema rimane in tale stato fino

all’azione dell’utente del tasto di reset. Il display indica la causa dell’azione di blocco.

Lo stato di blocco e’ inoltre segnalato dal relativo LED ROSSO.

2.2 LOGICA DI REGOLAZIONE

Scopo della regolazione e’ l’attivazione della sequenza di accensione in funzione della temperatura caldaia

e il relativo controllo proporzionale della modulazione gas.

2.2.1 LINEARIZZAZIONE DEL SENSORE TEMPERATURA

Il sensore previsto (NTC) viene linearizzato nel modo gia’ illustrato in 1.4.1

2.2.2 CONDIZIONI ATTIVAZIONE SEQUENZA ACCENSIONE

In caso di richiesta di regolazione, già illustrata al punto 2.1.1, si deve raggiungere la corretta

temperatura di caldaia in funzione della modalita’ operativa (SAN/RIS).

2.2.3 MODELLO DI REGOLAZIONE

La regolazione avviene inoltre mediante il meccanismo proporzionale e di isteresi; le isteresi

previste sono quelle già specificate in 2.1.2; mentre la regolazione di apertura della valvola proporzionale

avviene con comando in corrente. Il segnale di comando in corrente viene ricavato mediante amplificazione

del segnale di errore tra la temperatura desiderata e quella effettiva della caldaia.

Il modello lineare e’ stato ricavato dal circuito a componenti discreti CM004 e prevede una variazione

del guadagno d’anello in funzione della modalita’ di funzionamento.

E’ presente un ritardo di regolazione per le caldaie a basso contenuto d’acqua, inseribile con un DIP

switch, come al punto 1.3.1.

2.3 CRITERI SOFTWARE

2.3.1 VERIFICA BANCHI DI MEMORIA

Ad intervalli di tempo regolari viene avviata una procedura di verifica di :

1. ROM : tramite checksum

2. RAM : prova di lettura / scrittura trasparente

3. EEPROM : ad ogni scrittura si verifica con rilettura, CRC su tutto il banco all’accensione

2.3.2 OROLOGIO VIRTUALE DI CICLO MACCHINA

Il ciclo di controllo complessivo della logica e’ costituito dalle scansioni degli ingressi, dall’avanzamento

dei timers, dal calcolo delle funzioni logiche ed analogiche, dall’avanzamento degli automi a stati finiti ed dal

finale aggiornamento di tutti gli output.

Tale ciclo viene attivato ogni 100 msec, la relativa durata complessiva deve essere quindi inferiore; in tal

modo tutti gli eventi sono quantizzati nel tempo con uno step di 100 msec; durante lo stato di IDLE il processore

si occupa di altre gestioni, quali ad es. la scansione del display.

2.3.3 KERNEL LOGICA ‘PLC’

Per lo sviluppo della logica di tipo ‘PLC’ con timers, logiche ‘a contatti’ o booleana, viene

impiegato un set di subroutine gia’ ampiamente testato sulla famiglia di processori impiegata ed

in precedenza anche su altre per lo sviluppo di progetti analoghi. E’ quindi assicurata un’ottima

affidabilita’ dei risultati ottenuti.

2.3.4 TEST dell’HARDWARE

Nella scansione degli ingressi analogici si cerca di effettuare il massimo numero di verifiche di

congruita’ numerica, mentre per gli ingressi digitali si riprogramma periodicamente il PIN fisico

come uscita onde verificare l’integrita’ delle resistenze di Pull-up poste sugli optoisolatori.

Le uscite a Relay, che rappresentano quelle piu’ critiche, sono verificate con un segnale di

signature analogico.

2.4 SEGNALAZIONI DI GUASTO

Le seguenti segnalazioni appaiono sul display in seguito a blocco di sicurezza:

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