Отопление под контролем. Зональное управление

Введение

В предыдущей статье был рассмотрен пример погодозависимого управления отопительной системой. Для многих небольших домов такой вариант будет достаточен. Но, если в нашем доме предусмотрены помещения с разными тепловыми режимами, то без зонального управления не обойтись. Для реализации зонального управления отопительной системой, на рынке присутствуют специализированные профессиональные контроллеры Kromschroeder, SmartWeb, CalorMatic, Diematic и другие. Они отлично справляются со своими обязанностями, но стоят очень недешево и их сложно включить в контур управления умного дома.

Предлагаю пример реализации зонального управления с помощью наших хороших знакомых – контроллера Wiren Board 6 (WB6) и универсального шлюза OpenTherm-Modbus (BCG-3.0.1). В помощь им добавим несколько пультов ПУ-3 (по количеству отдельных зон регулирования) и релейные актуаторы для управления термоэлектрическими приводами контуров.

Центральным элементом отопительной системы нашего дома является одноконтурный отопительный котел со встроенным циркуляционным насосом. Котел нагревает теплоноситель и подает его в отопительный коллектор. От коллектора по дому разведены отдельные контура отопления (зоны отопления). На коллекторе для каждого контура установлены термоэлектрические приводы для управления подачей теплоносителя в конкретный конур. Включение привода обеспечивает управляемое контроллером реле. В каждой зоне отопления установлен датчик температуры, по данным от этого датчика производится управление приводом на коллекторе. Данная гидравлическая схема является упрощенной. В реальных отопительных системах, в зависимости от их размеров и характеристик, возможно, потребуется применить гидравлический разделитель (гидрострелку), дополнительные циркуляционные насосы с соответствующей обвязкой.

Одновременно выполняются два процесса управления – управление отоплением в отдельных зонах и управление теплогенерацией на котле.  

Алгоритм управления отоплением в отдельной зоне

• Измеряем температуру воздуха в управляемой зоне.
• Сравниваем измеренную температуру с уставкой для данной зоны. Если измеренная меньше уставки , то открываем привод контура зоны и отправляем котлу запрос тепла, иначе - закрываем привод контура зоны и снимаем запрос тепла для котла.

Это самый простой способ управления (on/off). Вместо него может быть реализован PID-регулятор с дискретным выходом (так называемым медленным ШИМом). Надо иметь в виду, что среднее время открытия и закрытия термоэлектрического привода составляет около трех минут. Поэтому частота ШИМ должна быть меньше 10 тактов в час (обычно период следования 10 минут).

Алгоритм управления котлом

Если установлен запрос тепла хотя бы от одной зоны отопления, то котлу устанавливается рабочее значение целевой температуры теплоносителя (например, 70°C), иначе - котлу устанавливается нерабочее значение целевой температуры теплоносителя (например, 20°C). В качестве рабочего значения может быть использовано значение, вычисленное по эквитермической кривой в зависимости от температуры на улице.

В этом случае мы комбинируем погодозависимое управление с зональным.

Практическая реализация

Представляю вниманию читателей пример реализации, а не полностью завершенный и готовый к тиражированию проект. И пример этот будет логическим продолжением и развитием примера погодозависимого управления отоплением.

В котельной трудится одноконтурный котел с интерфейсом управления OpenTherm.

В щитке автоматики установлен зональный контроллер отопления в лице WB6. В связке с ним трудится универсальный шлюз BCG 3.0.1, который обеспечивает связь контроллера с котлом.

Рядом со щитком установлен центральный пульт управления отоплением, с помощью него пользователь может руками (без компьютера и гаджетов) задать основные режимы погодозависимого управления отоплением. В роли такого пульта используем ПУ-3.

В каждой отдельно управляемой зоне (комнате) устанавливаем датчик температуры. И опять здесь очень полезен будет пульт ПУ-3: в нем есть встроенный датчик температуры воздуха, его можно использовать для индикации измеренной температуры воздуха и, главное, на нем можно руками задать уставку температуры воздуха для данной зоны.

Пульты управления всех зон и шлюз BCG 3.0.1 связаны с WB6 в щитке автоматики по четырехпроводному кабелю (два провода – питание 24 В, два провода – RS-485).

Контуры отопления по зонам разведены от отопительного коллектора, расположенного в коллекторном щите.

На каждый контур установлен термоэлектрический привод, управляемый силовым дистанционно управляемым реле в соседнем электрощите. В данном примере я использовал реле SDD-0.1.1-WF. Эти реле  взаимодействуют с контроллером WB6 непосредственно через встроенный в контроллер MQTT-брокер (такой способ взаимодействия контроллера WB6 с внешними устройствами стоит вынести в отдельную статью).

Все перечисленные устройства присутствуют в WEB-интерфейсе контроллера WB6 и их каналы доступны в node-red благодаря специализированной ноде node-red-contrib-wirenboard  автора Andrej_Popov. Как и в предыдущем примере, я реализовал всю автоматику средствами node-red на WB6 (flow "Зональный регулятор" и flow "Погодозависимый регулятор").

Отдельно рассмотрим часть потока, реализующего управление температурой в одной из зон.

Из соответствующих каналов комнатного пульта получаем измеренную температуру в комнате и уставку температуры для данной комнаты.

Для управления клапаном отопительного контура зоны воспользуемся связкой из двух специализированных нод PID и timeprop. Нода PID выполняет функции PID-контроллера и предназначена для формирования управляющего воздействия на процесс в зависимости от измеренной температуры в зоне и величины уставки. Обратите внимание на очень большую функциональность этой ноды, которую можно реализовать, если должным образом устанавливать параметры ее настройки.

Очень подробно методика настройки внутренних параметров этой ноды описана в статье автора ноды. Так, например, если установить параметр Proportional band в ноль, то управление нагрузкой вместо алгоритма PID будет производиться по алгоритму on/off с нулевым гистерезисом. Для фильтрации нестабильных данных от датчика температуры можно задействовать встроенный фильтр скользящего среднего, если установить параметр Derivative smoothing factor в значение 3, например (скользящее среднее по трем значениям). Выходным значением этой ноды является величина выходной мощности регулятора в диапазоне от 0 до 1 с плавающей точкой.

В этом flow регулярно опрашивается состояние приводов каждой зоны и функция «Запрос тепла» записывает в глобальную переменную HeatingRequest значение 1, если открыт хотя бы один клапан. Функция «Максимальная из уставок» определяет максимальное значение из уставок, заданных по зонам. Это максимальное значение используется для управления режимом нагрева погодозависимого регулятора котла в flow "Погодозависимый регулятор".

В функцию «Вычисление температуры подачи по кривой», по сравнению с предыдущей статьей, внесены изменения: анализируем значение глобальной переменной HeatingRequest и, если ее значение равно 0 (нет запроса тепла), то целевая температура для котла устанавливается 20°C. Это приведет к тому, что в то время, когда запрос тепла отсутствует, котел на нагрев включаться не будет.

Итог

• В каждой зоне установлен пульт ПУ-3, с помощью которого можем наблюдать текущую температуру и руками установить желаемую температуру.
• На отопительном коллекторе установлены термоэлектрические приводы на контур каждой зоны. Приводы управляются контроллером WB6 через реле.
• Около котла установлен ПУ-3 в качестве пульта управления погодозависимым режимом отопления. Без этого пульта можно легко обойтись, оставив вместо него только виртуальное устройство «Терморегулятор».
• На контроллере WB6 создано виртуальное устройство «Терморегулятор», которое позволяет через WEB-интерфейс контроллера задавать параметры погодозависимого режима котла.
• Средствами node-red на контроллере реализованы алгоритмы управления приводами отопительных контуров в каждой зоне отопления.

Теперь можно «прокидывать» все это в Sprut.Hub и тогда отопление вашего дома будет доступно в Apple HomeKit. Об этом будет отдельная статья.