Řídící systém směšovacího ventilu automatického kotle Studentská vědecká konference 2013 Martin Švejda ZČU v Plzni, FAV, Katedra kybernetiky 23. 5. 2013
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 )
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
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)
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)
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
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
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 69-81 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.)
Funkce řídícího systému servopohonu směšovacího ventilu (5/5) Příklad regulace vratné vody primárního okruhu: teplota [ C] 90 80 70 60 50 40 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) 30 20 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 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
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.