DOKUMENTACIJA TEHNIČKOG REŠENJA. Upravljački sistem električnih toplovodnih kotlova

Transcript

1 DOKUMENTACIJA TEHNIČKOG REŠENJA Upravljački sistem električnih toplovodnih kotlova Autori tehničkog rešenja Zoran Icić Stanko Stankov Dragan Antić Nikola Danković Dejan Mitić Naručilac tehničkog rešenja EKOPAN plus d.o.o. NIŠ, preduzeće za proizvodnju i ugradnju opreme za centralno grejanje Godina izrade tehničkog rešenja: Korisnik tehničkog rešenja EKOPAN plus d.o.o. NIŠ Oblast tehnike na koju se odnosi tehničko rešenje Automatika Elektronika 1

2 NASTAVNO-NAUČNOM VEĆU ELEKTRONSKOG FAKULTETA U NIŠU PRIJAVA TEHNIČKOG REŠENJA U skladu sa odredbama Pravilnika o postupku i načinu vrednovanja i kvantitavnom iskazivanju naučnoistraživačkih rezultata istraživača, koji je doneo Nacionalni savet za naučni i tehnološki razvoj Republike Srbije («Službeni glasnik RS», br. 38/2008,) dostavljam sledeće podatke: Obavezni podaci: Autori rešenja Zoran Icić, Stanko Stankov, Dragan Antić, Nikola Danković, Dejan Mitić Naziv tehničkog rešenja: Upravljački sistem električnih toplovodnih kotlova Kategorija tehničkog rešenja: M84 Bitno poboljšan postojeći proizvod Za koga je rešenje rađeno i u okviru kog projekta MNTR: Rešenje je urađeno za potrebe preduzeće za proizvodnju i ugradnju opreme za centralno grejanje EKOPAN plus d.o.o. NIŠ, u okviru projekata MNTR III44006 i TR35005 Ko rešenje koristi tj. ko je prihvatio primenjuje rešenje EKOPAN plus d.o.o. NIŠ, preduzeće za proizvodnju i ugradnju opreme za centralno grejanje Godina izrade rešenja Kako su rezultati verifikovani (od strane kog tela) Verifikacija je izvršena od strane TEHNIČKE SLUŽBE PREDUZEĆA EKOPAN plus d.o.o. NIŠ I NASTAVNO-NAUČNOG VEĆA ELEKTRONSKOG FAKULTETA U NIŠU Na koji način se koriste rezultati tehničkog rešenja Upravljački sistem, koje je rezultat tehničkog rešenja, ugrađuje se u električne toplovodne kotlove. U eksploataciji je dve godine. Oblast na koju se odnosi tehničko rešenje Automatika, elektronika Problem koji se tehničkim rešenjem rešava U osnovi tehničkog rešenja je upravljački sistem s mikrokontrolerom Atmel, koji služi za regulaciju rada električnih toplovodnih kotlova. Ovi kotlovi su namenjeni za grejanje stanova, poslovnih objekata i individualnih zgrada. Grejači se napajaju preko relea (kontaktora kod grejača većih snaga). Upravljačka jedinica uključuje postepeno grejne grupe, pri čemu se permanentno meri 2

3 temperatura prostorija i temperatura vode u kotlu. Pregled i zadavanje parametara vrši se preko tastera i displeja prostorijskog termometra. Sistem omogućava i daljinsko upravljanje korišćenjem SMS poruka putem mobilne telefonije. U slučaju prekoračenja graničnih vrednosti (minimalna ili maksimalna temperatura uključuje se alarm i generiše poruka koja upozorava korisnika). Stanje rešenosti razmatranog problema u svetu Na tržištu su dostupni električni toplovodni kotlovi inostranih i domaćih proizvođača. I kod nas i u svetu sreću se upravljačke jedinice poput relativno prostih na bazi dvostepenog ili trostepenog termostata, do složenijih zasnovanih na elektronici i mikroprocesorima. Predloženi sistem je prihvaćen kao pouzdano i po ceni prihvatljivo rešenje od strane preduzeća Ekopan plus, koje ima tradiciju od tri decenije u proizvodnji toplovodnih električnih kotlova. Objašnjenje suštine tehničkog rešenja i detaljan opis s karakteristikama, uključujući i prateće ilustracije i tehničke crteže I. UVOD Konfiguracija upravljačkog sistema električnih toplovodnih kotlova, čija je blok šema prikazana na slici 1, se sastoji od tri ATmega8 kontrolera. Jedan kontroler služi za upravljanje električnim kotlom, drugi je u sklopu prostorijskog merača temperature, a treći povezan sa SMS karticom služi za prikupljanje podataka (tekuće vrednost temperatura prostorije i vode kotla, status cirkulacione pumpe). Korisnik ima mogućnost pregleda i zadavanja parametara (temperature vode u kotlu, temperature prostorije koja se zagreva, rad i status cirkulacione pumpe) putem mobilnog telefona. Bazna stanica mobilne telefonije RS 232 Kontroler toplovodnog kotla Kontroler sobne temperature Kontroler za akviziciju SMS kartica Elektricni toplovodni kotao Slika 1. Blok šema upravljačkog sistema Pri konstrukciji upravljačkog sistema iskorišćene su pogodnosti koje pruža mikrokontroler ATmega8. Ovaj mikrokontroler, koji je realizovan u tzv. naprednoj RISC arhitekturi CMOS (karakteristična mala potrošnja), poseduje tri ulazno izlazna porta: PORT B koji ima osam izvedenih pinova na kućištu procesora, PORT C sa sedam pinova i PORT D sa osam pinova. Svaki od ovih pinova ima multipleksirane dodatne funkcije u zavisnosti od primenjene periferne jedinice. Port C poseduje na svakom od ulazi A/D konvertor. U portovima svaki od pinova se može konfigurisati kao ulaz ili kao izlaz, nezavisno od toga kako su konfigurisani ostali pinovi istog porta. 3

4 Mikrokontroler poseduje 8KB FLASH memorije, koja služi za smeštanje programa, što zajedno sa ugrađenim ISP (In System Programming) interfejsom olakšava razvoj aplikacija, jer je moguće reprogramiranje mikrokontrolera i kad je on već zalemljen na ploči uređaja koji se razvija. Osim programske memorije mikrokontroler poseduje i 1KB statičke RAM memorije koja služi za čuvanje podataka, kao i 512 bajta EEPROM a namenjenog za čuvanje podataka u slučaju nestanka napona napajanja. Pinovi PB0 PB5, PD6 i PD7 čine dvosmernu magistralu podataka. Preko ove magistrale šalju se podaci na displej, čitaju se vrednosti struja sa temperaturnih senzora mernih pretvarača), odvija se komunikacija s tastaturom i releima. Osmobitna arhitektura i brzina obrade programskih rutina su zadovoljavajući pri rešavanju zahteva, koji se javljaju u upravljanju električnim toplovodnim kotlovima. Konfiguraciju upravljačkog sistema nametnuli su praktični razlozi. Naime, kotao je često instaliran u zgradama na mestima koja su van domašaja signala mobilne telefonije ili je signal oslabljen. Kontroler, koji je preko SMS sistema povezan sa operatorom mobilne telefonije komunicira sa upravljačkom jedinicom kotla preko RS 232 protokola (žičana veza). 2. REALIZACIJA PROSTORIJSKOG TERMOMETRA 2.1. Merenje temperature u prostoriji Merenje temperature u prostoriji se vrši pomoću prostorijskog termometra. Senzor temperature je LM35 (temperaturni opseg ºC), čija je šema prikazana na slici 2, daje na izlazu napon proporcionalan vrednosti temperature (10mV/ºC). Slika 2. Šema senzora temperature LM35 Ovaj senzor se napaja stabilisanim naponom Vcc=5V DC, koji se dobija iz ispravljačke jedinice (slika 8). Napon sa senzora V temp se prenosi preko RC kola (10 kω, 22 µf) na PC1 pin C porta mikrokontrolera 1 (slika 3). Slika 3. Upravljačka jedinica prostorijskog termometra 4

5 Fotografija hardverske realizacije prostorijskog merača temperature data je na slici Tastatura i displej Tasteri (slika 4) i sedmosegmentni displeji (slika 7) su u sklopu prostorijskog termometra. Oni služe za zadavanje i pregled parametara. Tasterom T1 bira se kanal koji se prikazuje, a tasterima T2 i T3 podešavaju se cifre na displejima, kao i vreme prikazivanja određenog kanala. Problem baunsinga je rešen softverski. Tastatura je povezana s mikrokontrolerom preko pinova PB0, PB1, PB2, PD7 (slike 3 i 7). Na slici 5 je data šema povezivanja zvučnog alarma, koji se aktivira u slučaju dostizanja granične vrednosti temperature vode u kotlu. Sedmosegmentni displeji su vezani na kolektore tranzistora BC807 (BC327). Tranzistori se aktiviraju preko pinova PC2, PC3, PD2, PD3 i PD4 mikrokontrolera prostorijskog termometra. Slika 4. Šema povezivanja tastature Slika 5. Šema povezivanja alarma Slika 6. Hardverska realizacija prostorijskog merača temperature Slika 7. Šema displeja prostorijskog termometra 5

6 3. UPRAVLJAČKA JEDINICA KOTLA 3.1. Merenje temperature vode u kotlu Temperatura vode u kotlu se meri PT100 senzorom (otpornost na ºC je 100 Ω, a s povećanjem temperature vrednost otpornosti se povećava). Kao pretvarač promene otpornosti Pt elementa u napon koristi se operacioni pojačavač LM358 (dva istovetna operaciona pojačavača LM358A i LM358B (slika 9). To su linearna integrisana kola u kombinaciji s RC elementima. Pojačavački stepen A je omogućava konverziju 1ºC/1mV, a stepen B prilagođava napon ulazu C porta mikrokontrolera 2 (pin PC0). Napajanje upravljačke logike i periferija vrši se sa ispravljačke jedinice (slika 8). Slika 8. Šema ispravljačke jedinice za sistem upravljanja električnim kotlom Slika 9. Šema merenja temperature vode u kotlu Slika 10. Kontroler toplovodnog električnog kotla 6

7 Na osnovu merenih vrednosti upravljačka logika (slike 10 i 11) preko pinova PB1, PB2 i PB3 mikrokontrolera okida izlazne tranzistore T1, T2 i T3 (slika 12), u čijim su otvorenim kolektorima vezane grupe relea R1, R2 i R3 respektivno, s jednosmernim komandnim naponom. Slika 11. Hardverska realizacija upravljačkog sistema kotla Kada tranzistor postane provodan uključuju se relea u njegovom kolektoru, a time i električni grejači napajani naizm naponom preko radnih kontakata relea. U primeru je dat toplovodni kotao s tri grejne sekcije (3*6kW). Broj grejnih grupa može biti i znatno veći, kao i snaga pojedinačnih grejača. U tom slučaju potrebno je pravilno dimenzionisati izlazna relea (kontaktore) zbog struja grejača. Slika 12. Relejni izlaz upravljačke jedinice 3.2. Upravljanje kotlom preko SMS Daljinsko upravljanje kotlom (slika 1) omogućeno je putem mobilnog telefona slanjem SMS poruka. Ovim porukama se mogu preneti i karakteristični parametri do korisnika. Zadavanje željene temperature kotla vrši se tako što se preko SMS poruke upiše vrednost temperature u opsegu od 5 C do 90 C i način rada grejača. Upravljačka poruka sadrži podatke prikazane u tabeli 1: 7

8 Tabela 1 Početni kod Uključenje grejača 1 Uključenje grejača 2 Uključenje grejača 3 Zadata temperatura vode Zadata temperatura prostorije Zahtev za odgovor Početni kod služi za odabir uređaja kao i zaštitu od zloupotrebe, uključivanje grejnih grupa 1, 2 i 3 određuje način rada kotla i njegovu potrošnju. Zadata temperatura vode je u opsegu od 5 C do 90 C. U zahtevu za odgovorom se određuje da li će sistem poslati povratnu poruku ili ne. Upravljačka logika prima datu poruku, analizira početni kod i dužinu poruke, a nakon toga pristupa analizi zadatih vrednosti. Zatim ih salje regulatoru kotla na njegov zahtev. Kada regulator kotla primi poruku i podesi rad sistema, očitava zadatu temperaturu, trenutnu temperaturu i stanje izlaza i to upisuje u povratnu poruku, koju šalje nazad mobilnom telefonu, ako postoji takav zahtev (tabela 2). Regulator kotla ispituje trenutnu temperaturu i upoređuje je sa zadatom i na osnovu toga uključuje i isključuje grejače u zavisnosti od zadatog načina rada. Ako je merena temperatura veća od zadate za 5 C, sistem sam šalje alarmnu poruku i uključuje alarm. Tabela 2 Početak prijema Početni kod Zadata temperatura Merena temperatura Izbor grejača Regulator kotla dobija zahteve za podešavanje temperature vode i temperature u sobi iz dva izvora i to: preko SMS poruke i preko prostorijskog termometra Komunikacija između kotla i kontrolera za akviziciju podataka Komunikacija između upravljačke jedinice kotla i kontrolera za prikupljanje podataka obavlja se žičanom vezom preko RS 232 protokola (slika 1). Kontroleri kotla i prostorijskog senzora međusobno komuniciraju preko mini radio predajnika RTFQ2 i prijemnika RRFQ2, koji rade na MHz (slika 13). Slika 13. Šema radio predajnika i prijemnika Podnosilac prijave Mr Stanko Stankov, el. inž. 8