některé fyzikální veličiny, jako např. napětí, proud, otáčky motoru, teplotu v místnosti, průtok vzduchu (klimatizace,

Transkript

1 Základy Systémové techniky budov 7 přednáška Základní požadavky regulačních zařízení, příklady z oblasti regulace vytápění Ing. Jan Vaňuš Ph.D. N 716 tel.: jan.vanus@vsb.cz vsb.cz Řídící technika V elektrických a mechanických zařízeních v budovách je možné řídit nebo regulovat některé fyzikální veličiny, jako např. napětí, proud, otáčky motoru, teplotu v místnosti, průtok vzduchu (klimatizace, ventilace).

2 Řídící technika - řízení Řízení je proces nastavování řídících veličin: ručně, automaticky podle předem daného plánu nebo programu. Řízení může být realizováno: zapínáním nebo vypínáním (topných těles nebo motoru) nebo plynulou regulací řídící veličiny. Samotné řízení nemusí zahrnovat zpětnou vazbu. Zapínání nebo vypínání může být (logické řízení): kontaktní, pomocí spínačů nebo stykačů bezkontaktní, pomocí tranzistorů, polovodičových relé (PLC, mikrosystémy). Řídící technika - řízení Řízení vytváří přímý sled řídících signálů v řízeném řetězci bez zpětných vazeb. Řízení topného tělesa může spočívat například v nastavování průtoku horké vody ventilem v závislosti na venkovní teplotě. Venkovní teplota se označuje jako řídící veličina w, snímaná venkovním teploměrem. Nevýhody: Neměří teplotu v místnosti, Teplota v místnosti nemá vliv na činnost topného tělesa.

3 Regulace je proces, který udržuje danou fyzikální veličinu na požadované hodnotě (v požadovaných mezích). Udržovaná (regulovaná) hodnota je měřena, porovnávána s žádanou hodnotou a korigována. regulovaná výstupní veličina x (teplota v místnosti) řídící veličina w (požadovaná teplota) vstupní (nastavovaná) veličina y. (otevřený ventil) Řídící technika - regulace Regulovaná výst. veličina x je průběžně srovnávána s řídící veličinou w a rozdíl e pak ovlivňuje vstupní veličinu y.. Dochází tedy ke stálému přizpůsobování skutečného výstupu požadovanému výstupu. Schéma řídících signálů obsahuje uzavřenou smyčku, tvořenou zpětnou vazbou. Pomocí zpětné vazby ovlivňuje regulovaná veličina x sama sebe. Řídící technika - regulace Regulace spočívá v tom, že teplota v místnosti (výstupní veličina x) je měřena a srovnávána s požadovanou hodnotou řídící veličiny, například hodnotou 20 C. Podle velikosti odchylky e skutečné hodnoty x od požadované hodnoty w, regulační odchylka e = w x je vytvářena nastavovací veličina y ovlivňující nastavení ventilu a tím zpětně teplotu v místnosti.

4 Odborné pojmy řídící techniky Řídící jednotka je výkonná jednotka řídícího systému, která ovlivňuje prostřednictvím nastavovacího členu řízené zařízení, například topné těleso. Řídící jednotka vytváří nastavovací veličinu y. Zpracování signálů ve směru řízení

5 Druhy řízení Řízení je možné charakterizovat podle těchto parametrů: reprezentace informací, způsob zpracování vstupních informací, uložení a realizace řídícího programu Druhy řízení Podle reprezentace vstupních a výstupních hodnot dělíme řízení na:

6 Druhy řízení Podle způsobu zpracování vstupních informací dělíme řízení na: Řízení může být: přímé (např. zapnutí světla, řízení auta volantem), nepotřebuje paměť, nepřímé (např. číslicové řízení stroje, pracujícího po krocích), potřebuje paměť Podle realizace řídícího programu Druhy řízení Program řízení je posloupnost příkazů a souvisejících podmínek. Nosičem programu může být harddisk (magnetický nosič), polovodičová paměť, soustava drátových propojek, soustava relé. Elektrické řídící systémy je možné podle realizace řídícího programu rozdělit na: propojované řídící systémy (zapojení pomocí relé, stykačů ), paměťové řídící systémy (PLC, PC, paměti ROM, EPROM ).

7 Regulace pojmy a veličiny Je-li manuální regulace nahrazena automatickou regulací, mluvíme o regulačním zařízení. vnímání teploty člověkem je nahrazeno teploměrem, mozek člověka je nahrazen regulátorem, ruka člověka je nahrazena servomotorem pro zapínání a vypínání přívodu teplé vody do topení. Regulace pojmy a veličiny Regulovaný systém je zařízení, jehož charakteristická veličina je regulovanou veličinou x (teplota). Regulovaný systém je součástí regulační smyčky, do které patří ještě regulátor, vytvářející zpětnou vazbu mezi vstupem a výstupem.

8 Automatická regulace teploty: teplotní čidlo(2) měří skutečnou hodnotu teploty x i regulované soustavy (1), porovnává ji s požadovanou hodnotou x s, reguluje nastavovanou Regulace pojmy a veličiny veličinu (vypíná nebo zapíná servomotor s ventilem). Nastavovací člen spínač Regulační zařízení = Regulátor + nastavovací člen Regulované systémy Statické chování je odezva výstupní veličiny x na pomalé změny vstupní veličiny y,, při kterých se neprojevuje setrvačnost v chování regulované soustavy, tj. ve funkci x = Fs (y). Příkladem je topné těleso, kterým protéká el. proud (vstupní veličina y). Výstupní veličinou x je teplota, na kterou se topné těleso ohřeje. Stabilní regulovaný systém, Nestabilní regulovaný systém. Příkladem může být napouštění vodní nádrže vodou (vstupní veličina) s neměnným odtokem. Hladina nádrže (výstupní veličina x) ) neustále stoupá až přeteče. Neexistuje vztah mezi rychlostí přítoku vody a okamžitou výškou hladiny.

9 Regulované systémy Dynamické chování je odezva výstupní veličiny x na tak rychlé změny vstupní veličiny y,, při kterých je průběh funkce x = Fs (y) závislý na rychlosti změn x. Dynamické chování regulované soustavy lze charakterizovat odezvou na skokovou změnu nastavovací veličiny y. Proporcionální systémy lze rozdělit na systémy: bez zpoždění, se zpožděním se zpožděním druhého řádu s více zpožďovacími členy s prodlevou Proporcionální systém se zpožděním druhého řádu PT2 Příklad Teplota na povrchu topného tělesa by měla být konstantní. Systém má dva zásobníky energie: vodu v topném tělese PT1, samotné kovové topné těleso PT2. Signál zpožděný prvním PT1 systémem je znovu zpožděn druhým systémem PT2 (absorbujícím a uvolňujícím energii). Tu doba zpoždění, Tg doba ustálení

10 Regulace teploty místnosti Pro udržování požadované teploty v místnosti se nejčastěji využívá tzv. pokojových regulátorů (nebo také prostorových termostatů). Pokojový regulátor snímá teplotu v místnosti a podle ní zapíná nebo vypíná zdroj tepla. Pokojové regulátory jsou většinou univerzální a mohou ovládat např. plynové, olejové nebo elektrické kotle. Nejjednodušší jsou mechanické pokojové termostaty, které umožňují pouze udržovat stálou nastavenou teplotu. Nejběžnější jsou ale elektronické programovatelné termostaty s denním nebo týdenním programem a možností nastavení několika teplot v průběhu dne. Někteří výrobci nabízejí také bezdrátové provedení pokojových termostatů, které nevyžaduje propojení termostatu se zdrojem tepla a lze je přenášet na různá místa. Regulace teploty místnosti Otopné systémy je třeba vybavit zařízeními na termostatickou regulaci teploty jednotlivých místností. V případě termostatických ventilů jde o regulační hlavice s dilatačními snímači teploty s: pevnou, plynnou, nebo kapalnou náplní. Při nárůstu teploty v místnosti zmenšují tyto regulační hlavice hmotnostní průtok otopné vody přes ventil do otopného tělesa. Při poklesu teploty průtok otopné vody opět zvětšují.

11 Firmy, zabývající se regulací teploty v místnosti FenixFENIXFENIX TRADING s.r.o. mechanické a elektronické termostaty, regulátory pro podlahové vytápění HoneywellHONEYWELL, s.r.o. r.o.mechanické a elektronické pokojové termostaty, ekvitermní regulace JablotronJABLOTRON, s.r.o. r.o.bezdrátové termostaty KOMEXTHERMKOMEXTHERM Praha, spol. s r.o.regulátory regulátory pro ekvitermní regulaci, regulátory pro plynulou regulaci podle vnitřní teploty (sály, haly, skleníky), regulátory pro solární systémy, regulátor pro udržení konstantní teploty vody, regulace bez směšovače SIEMENSSIEMENS Building Technologies, s. r. o. - divize LANDIS & STAEFA prostorové termostaty, týdenní program, možnost připojení odděleného teplotního čidla, dálkové ovládání telefonním kontaktem, optimalizace startu, automatická adaptace, široký výběr typů a provedení, provedení s ovládáním dotykovým displejem nebo rolovacím tlačítkem, bezdrátové provedení, provedení s OpenTherm komunikací Aplikace regulace teploty - XComfort

12 Regulace kotle na tuhá paliva Technický návrh řízení kotle pomocí KNX Popis: Sběrnicový systém Synco Living je bezdrátový systém KNX určený pro rodinné domy a byty. Umožňuje nezávislé řízení teploty v místnostech, k ovládání servopohonů na jednotlivých topných tělesech, regulátorů topných okruhů, ve kterých se řídí například smyčky podlahového vytápění a radiátory. Dále umožňuje řídit osvětlení, stínění (rolety a žaluzie) a zpracovávat signály z dveřních kontaktů a hlásičů kouře. Regulace kotle na tuhá paliva Technický návrh řízení kotle pomocí KNX Návrh řízení kotle pomocí Synco Living. Popis: Pro vlastní regulaci pomocí Synco Living se uvažuje s použitím 2 analogových vstupů, 2 digitálních vstupů a 4 digitálních výstupů následovně: Počet vstupů: AI1 teplota malý okruh, potrubí (dotykový snímač teploty), AI2 DI1 DI2 rezerva, termostat místnost (aktivuje přepnutí do velkého okruhu). rezerva.

13 Regulace kotle na tuhá paliva Technický návrh řízení kotle pomocí KNX Návrh řízení kotle pomocí Synco Living. Počet výstupů: DO1 ventilátor, M3, DO2 podavač, M4, DO3 DO4 čerpadlo M1 malý okruh, čerpadlo M2 velký okruh. Regulace kotle na tuhá paliva Technický návrh řízení kotle pomocí KNX Popis Synco Living: Systém je založen na bezdrátové komunikaci mezi jednotlivými prvky prostřednictvím protokolu KNX RF (RF - Radio Frekvenční). Výhodou systému Synco Living je, že odpadá zavádění nových komunikačních vodičů pro jednotlivé prvky. Tento fakt je nesmírně důležitý obzvláště při rekonstrukcích elektroinstalace, kde není třeba narušit povrch zdiva, ani instalovat různé lišty a žlaby.

14 Regulace kotle na tuhá paliva Technický návrh řízení kotle pomocí KNX Popis: Dále díky dodržení standardního protokolu komunikace KNX RF je možné kombinovat výrobky různých firem a vytvořit tak finančně dostupné a funkční řešení. Firma Siemens sama v katalogu uvádí, že je možné použít výrobky firmy Gamma wave a Hager, které jsou také KNX RF kompatibilní a při nahlédnutí do ceníku často také levnější. Díky bezdrátové technologii je možné systém postupně bez problémů rozšiřovat, dle finančních možností zadavatele. Nevýhodou systému je napájení připojených zařízení pomocí akumulátorů (baterií) a z toho plynoucí nespolehlivost a nutnost výměny. Regulace kotle na tuhá paliva Technický návrh řízení kotle pomocí KNX Pro vlastní simulaci ovládání kotle byly použity následující komponenty: centrální jednotka, regulátor vytápění, prostorová jednotka pro měření teploty, příložné teplotní čidlo LG-Ni Ni1000, C.

15 Regulace kotle na tuhá paliva Technický návrh řízení kotle pomocí KNX Pro předvedení dalších možností sběrnicového systému Synco Living jsou použity následující komponenty: web server pro vizualizaci a dálkové ovládání provozně technických funkcí, meteorologickéčidlo pro měření venkovní teploty a tlaku, detektor kouře, dveřní okenní kontakt, čidlo oslunění, detektor zaplavení, zásuvkový adaptér pro ovládání připojeného spotřebiče (osvětlení lampa), regulátor prostorové teploty se servopohonem pro termostatické ventily. Regulace kotle na tuhá paliva 1. Centrální jednotka QAX910. Napájení Jednotka je napájena ze sítě AC 230 V. Programování Umožňuje pouze parametrizační programování. Zvládá nezávislé časové a provozní režimy pro 12 místností. Umožňuje přepínat mezi režimy prázdniny, všední den, zvláštní den a dále také jednotlivé uživatelem definované scény (například si můžete nastavit scénu práce, kde se vytáhnou rolety, nebo režim odpočinek se zastíněním a vyšší teplotou). Lze přepínat mezi režimem chlazení a vytápění, a to i automaticky podle zadaného času a teploty.

16 Regulace kotle na tuhá paliva 1. Centrální jednotka QAX910. Komunikace, vstupy, výstupy Centrální jednotka komunikuje bezdrátově, ale i prostřednictvím protokolu TP1. Pomocí datové linky lze spojit až 126 centrálních jednotek, a to sériově za sebou. Jedna jednotka umožňuje připojit: 1 meteorologické čidlo, 2 dveřní spínače, 4 akční členy pro osvětlení, 3 zesilovače radiového signálu (používají se v případě, že dosah komponent není dostatečný), 64 bezdrátových přístrojů. Regulace kotle na tuhá paliva 1. Centrální jednotka QAX910. Komunikace, vstupy, výstupy Pro jednu místnost (celkem lze ovládat maximálně 12) platí tato omezení: 1 prostorová jednotka, 2 prostorová teplotní čidla, 1 regulátor topných okruhů nebo 6 regulačních servopohonů topných těles 6 okenních spínačů, 1 detektor kouře.

17 Regulace kotle na tuhá paliva 1. Centrální jednotka QAX910. Regulace kotle na tuhá paliva 2. Regulace vytápění 2.1Regulační servopohon pro otopná tělesa SSA955 - Technické parametry: bezdrátově řízený, vestavěné teplotní čidlo, umožňuje zapnutí tichého režimu (pomalejší regulace, použití hlavně v ložnicích), napájení: 3 AA baterie, předpokládaná životnost je větší než 3 měsíce, pro případ poruchy lze ventil ovládat ručně.

18 Regulace kotle na tuhá paliva 2. Regulace vytápění 2.2 Prostorové teplotní čidlo QAA910 - Technické parametry: bezdrátová komunikace, napájení: 2 AA baterie, předpokládaná životnost je větší než 3 roky, rozsah 0 50 C, teplotu hlásí buď periodicky nebo při změně. Regulace kotle na tuhá paliva 2. Regulace vytápění 2.3 Meteorologické čidlo QAC910 - Technické parametry: bezdrátová komunikace, napájení: 2 AA baterie, předpokládaná životnost je větší než 3 roky, sleduje teplotu a tlak vzduchu, teplotu a tlak hlásí buď periodicky nebo při změně, rozsah: C.

19 Regulace kotle na tuhá paliva 2. Regulace vytápění 2.4 Prostorová jednotka QAW910 Používá se pro ovládání a zobrazení základních funkcí vytápění místnosti a přenáší do základní jednotky informaci o aktuální pokojové teplotě, která je také zobrazena na displeji. Technické parametry: bezdrátová komunikace, napájení: 2 AA baterie, předpokládaná životnost je větší než 3 roky, teplotu hlásí buď periodicky nebo při změně, rozsah: 0 50 C. Regulace kotle na tuhá paliva 3. Ovládání elektrických spotřebičů 3.1 Spínač KRF960-E Slouží ke spínání elektrických přístrojů připojených do sítě. Technické parametry: bezdrátová komunikace, napájení: ze sítě AC 230, maximální zátěž 2300 W, možnost manuálního ovládání.

20 Regulace kotle na tuhá paliva 4. Ovládání ventilace a regulace topné soustavy 4.1Regulační modul RRV934 Tento regulační modul najde uplatnění při řízení ventilační jednotky, maximálně 3-rychlostního ventilátoru a ovládání tepelného okruhu se servopohony s ovládáním DC 0-10 V. Umožňuje předregulaci topné vody až pro 2 samostatné místnosti. Díky 3 univerzálním releovým výstupům můžeme dále ovládat například čerpadla topné vody. Jak je vidět z popisu, neobsahuje žádné akční členy, doplnit jej můžeme například servopohony a ventily řady Activatix. Při řízení ventilace je možné připojit na univerzální vstupy čidla vlhkosti nebo obsahu CO2. Regulace kotle na tuhá paliva 4. Ovládání ventilace a regulace topné soustavy 4.1Regulační modul RRV934 - Technické parametry: bezdrátová komunikace, napájení: ze sítě AC 230 V, 3 univerzální reléové výstupy, 2 univerzální výstupy DC 0-10 V, 4 univerzální vstupy, 1 výstup pro 3-polohový servopohon, jehož funkci lze přepnout na univerzální reléový výstup.

21 Regulace kotle na tuhá paliva Shrnutí Sběrnicový systém Synco living najde uplatnění hlavně při rekonstrukcích takových objektů, kde je problém narušit zdivo budovy při instalaci nových rozvodů (historické objekty, památkově chráněné domy). Nevýhodou je vyšší cena. Výhody spatřuji v rychlosti a jednoduchosti instalace a snadném rozšíření v budoucnosti. Toto řešení mě zaujalo, proto jsem si ho vybral jako jednu z variant v projektu. Literatura [1] Bastian P.&kol.; Praktická Elektrotechnika, Europa Sobotáles, Praha 2006, ISBN X [2] Tkotz K.; Příručka pro Elektrotechnika, Europa Sobotáles, Praha 2006, ISBN [3] Haberle G. & kol.; Elektrotechnické tabulky pro školu i praxi, Europa Sobotáles cz, Praha 2006, ISBN , [4] Valter J.; Regulace v praxi, BEN, Praha 2010, ISBN [5] Hájíček T.: Systémy pro řízení inteligentních domů, BP 2009, ČVUT Praha. [6] ://