Řídící systém směšovacího ventilu automatického kotle

Transkript

1 Řídící systém směšovacího ventilu automatického kotle Studentská vědecká konference 2013 Martin Švejda ZČU v Plzni, FAV, Katedra kybernetiky

2 Úvod - formulace problému (1/3) Čím vytápět rodinné domy (zpravidla nedostupné centrální zdroje tepla)? Příklad: 2 generační rodinný dům na vesnici plyn: nedostupný elektřina: příliš drahá, komplikace připojení z důvodu kapacity trafostanice tepelné čerpadlo: velké pořizovací náklady, dotace pouze při kvalitním zateplení objektu, bez jiného kotle na tuhá paliva (na vesnici?) alternativa: automatický kotel na tuhá paliva VARIMATIK VM25, 25kW typ paliva: tříděné hnědé uhlí (Ořech 2-3) nezávislá µ-proc. řídící jednotka ADEX - spínání odtah. ventilátoru (kotel zap./vyp/) - časování délky/prodlevy posunu roštu (výkon kotle) - reléový regulátor s hyst. (regulace teploty vody v primárním (kotlovém) okruhu na cca 80 )

3 Úvod - formulace problému (2/3) Schématické uspor ádání topné soustavy: 3-stavový servopohon 4-cestný směšovací ventil jednotka ADEX SP DS18B20 čidlo teploty DS18B20 sekundární okruh oběhové čerpadlo Č primární okruh Princip 4-cestného sme šovacího ventilu: r ízení toku tepla z primárního okruhu do sekundárního okruhu klíc ová role pro funkc nost celého topného systému jako celku Martin Švejda SVK 2013 Varimatik VM25 Č radiátory patro radiátory přízemí Č DS18B20 DS18B20 expanzní nádoba

4 Úvod - formulace problému (3/3) Hlavní funkce řídícího systému 4-cestného směšovacího ventilu: řízení přívodu teplé vody do radiátorů (sekundárního okruhu) na základě požadavků na teplotu v místnosti zajištění minimální teploty vratné vody do kotle v primárním okruhu (nebezpečí nízkoteplotní koroze) zajištění nepřehřátí kotle v důsledku snížení odběru tepla do sekundárního okruhu (velká setrvačnost-doběh kotle při vypnutí ventilátoru) Automatický systém řízení realizační firmy: 1 Žádný: automatický kotel s manuálním řízením směšovacího ventilu => neautomatický systém :-) 2 Vylepšený: Bimetalový termostat na vratné vodě v prim. okruhu (hlídání min. teploty vratné vody) - řízení serva v 2-stavovém režimu (zavírá/otvírá), velká setrvačnost snímače, kmitání systému => naprosto nefunkční realizace vlastního řídícího systému ( Home Automation rozvíjející se na KKY)

5 Funkce řídícího systému servopohonu směšovacího ventilu (1/5) Hardware: řídící deska PC Engines ALIX.2D13 (OpenWrt OS) I/O rozhraní Arduino Uno (včetně programovacího prostředí) výstupní reléová karta (vlastní výroba) OneWire čidla teploty (DS18B20, Maxim Integrated) 3-stavový servopohon směšovacího ventilu (Belimo LM230A) deska galvanického oddělení sériové komunikace mezi řídícím PC a I/O rozhraním (vlastní výroba) Software: řídící systém REX (real-time systém pro návrh a realizaci komplexních algoritmů automatického řízení, knihovna pokročilých funkčních bloků, kompatabilní s Matlab/Simulink, vývoj KKY) komunikační protokol přes sériovou linku (vývoj KKY) rozhraní vzdálené správy (vývoj KKY)

6 Funkce řídícího systému servopohonu směšovacího ventilu (2/5) Jednotka řídícího systému včetně uvedeného hardwaru: Reléová karta (výstupy: čerpadla, servopohon) ALIX PC Engines Arduino Uno (I/O modul) Napájecí zdroj Galvanické oddělení sériové komunikace

7 Funkce řídícího systému servopohonu směšovacího ventilu (3/5) Celkový pohled na řízený systém: Sekundární okruh (radiátorový) 4-cestný směšovací ventil Senzory 3-stavový servopohon teploty Expanzní nádoba Odtahový ventilátor zplodin Primární okruh (kotlový) Čerpadlo prim. okruhu Řídící jednotka VARIMATIK VM25

8 Funkce řídícího systému servopohonu směšovacího ventilu (4/5) Řídící algoritmus (funkce): subsystém řízení servopohonu: a) řízení teploty vody do radiátorů dle požadované hodnoty (za předpokladu vratné vody do kotle v primárním okruhu v rozsahu C) b) řízení vratné vody do kotle - ochrana proti ochlazení/přehřátí (požadovaná hodnota 69 C, 81 C). subsystém ekvitermní regulace: dopředná vazba (nastavení požadované teploty topné vody do radiátorů dle ekvitermní křivky a venkovní teploty) subsystém zpětnovazebního řízení: vyhodnocení signálů (topit/netopit) z dvoustavových pokojových termostatů (vykrytí přechodů z úsporného do komfortního režimu, odregulování poruch) Uživatelsky přívětivé využití ŘS REX: grafické programování pomocí funkčních bloků pokročilé algoritmy: PID regulátory (včetně funkčního AUTOTUNERU!), blok pro řízení servopohonu, atd. diagnostický nástroj RexWiew (sledování regulovaných veličin, trendy, už. zásahy do řízení, archivace dat, atd.)

9 Funkce řídícího systému servopohonu směšovacího ventilu (5/5) Příklad regulace vratné vody primárního okruhu: teplota [ C] vratná voda primárního okruhu (požadovaná hodnota) A B vratná voda primárního okruhu (vratná voda do kotle) Regulace dopředná voda sekundárního okruhu (teplota vstupní vody do radiátorů) t[s] Úsek A: Max. topný výkon vrat. voda do kotle nesmí klesnout pod 65 C regulace na pož. hodnotu 69 C Úsek B: Min. topný výkon vrat. voda do kotle regulována na pož. hodnotu 81 C

10 Závěr: Problémy při uvádění do provozu: rušení komunikace (filtry, úpravy rozhraní komunikace) velmi výhodný funkční systém vzdálené správy (sledování běhu systému mimo místo povozu) V současnosti systém plně funkční (spolehlivý) Další plánovaná vylepšení: nahrazení 2-stavových pokojových termostatů OneWire čidly teploty uživatelský interface (přes WWW)... Děkuji vám za pozornost.