Фридриха Энгельса, 7

Тепло в каждой квартире без лишнего расхода теплоносителя

Отопление дома должно обеспечивать комфортную температуру во всех квартирах, но при этом дом не должен оплачивать лишний перегрев и избыточный расход воды из котельной.

Предлагается создать автоматизированную систему управления отоплением на базе конкретного промышленного контроллера Wiren Board 8.

Система будет круглосуточно получать данные от теплосчётчика, насосов, датчиков температуры, регулирующих клапанов и другого оборудования. На основании этих данных она будет управлять:

температурой воды, поступающей в систему дома;
расходом теплоносителя;
положением регулирующих клапанов;
трёхходовым клапаном;
скоростью насосов Wilo Giga;
перепадом давления между подачей и обраткой;
режимом отопления в зависимости от температуры на улице.

Главная цель проекта – забирать из котельной минимально необходимое количество воды, но максимально эффективно использовать содержащееся в ней тепло.

Дом должен получать столько тепла, сколько ему действительно требуется, без перетопа, недогрева и постоянных ручных регулировок.

ВСТАВИТЬ ФОТО 1. Общая фотография существующей котельной или теплового узла. На фотографии должны быть видны трубопроводы подачи и обратки, насосы, клапаны, теплосчётчик и существующий электрический щит. Подпись: «Существующий тепловой узел дома до установки автоматического управления».

Что изменится для жильцов

После реализации проекта система отопления будет автоматически учитывать:

температуру воздуха на улице;
скорость похолодания или потепления;
скорость ветра на улице;
температуру теплоносителя на подаче;
температуру теплоносителя на обратке;
фактический расход воды;
количество полученной тепловой энергии;
время, необходимое дому для нагрева и остывания;
скорость работы насосов;
фактическое положение регулирующих клапанов.

Для пожилых жильцов принцип работы можно объяснить просто:

Когда на улице становится холоднее, система заранее увеличивает отопление. Когда теплеет, система заранее уменьшает подачу тепла, чтобы квартиры не перегревались.

Как будет устроена система

Центральным управляющим устройством станет:

Wiren Board 8, 4 ГБ RAM / 64 ГБ eMMC

Это промышленный контроллер, который устанавливается в электрическом щите теплового узла.

Он будет:

опрашивать теплосчётчики и насосы;
получать температуру и давление;
управлять клапанами;
управлять скоростью насосов;
хранить историю работы;
отображать данные через веб-интерфейс;
передавать данные системе машинного обучения;
продолжать работу без подключения к интернету.

Контроллер, интерфейсные модули, модули управления приводами и резервное питание уже определены в приложенном проекте.

фото

Конкретное оборудование управления

1. Контроллер

Wiren Board 8, 4 ГБ RAM / 64 ГБ eMMC – 1 штука.

Он является главным управляющим устройством системы.

2. Изолированные интерфейсы

WBE2-I-RS485-ISO – 4 штуки.

Каждый модуль создаёт отдельный защищённый порт связи RS-485.

В проекте предусмотрено подключение:

счётчика «Меркурий 230» № 1;
счётчика «Меркурий 230» № 2;
теплосчётчика ТВ7-04V;
насоса Wilo Giga через Modbus RTU.

Самые длинные и проходящие вне щита линии должны подключаться через изолированные интерфейсы. Это снижает риск повреждения контроллера при помехах и перенапряжениях.

3. Управление приводами клапанов

WB-MAO4-20mA – 1 штука.

Модуль формирует управляющий сигнал 4–20 мА и задаёт требуемое положение клапанов.

У модуля четыре аналоговых выхода. Два выхода используются для определённых проектом приводов, ещё два могут использоваться для дополнительных регулирующих клапанов.

4. Контроль фактического положения клапанов

WB-MAI6 – 1 штука.

Модуль получает сигнал 0–10 В от электроприводов и показывает фактическое положение клапана.

Это важно, потому что система должна не только передать команду «открыть клапан на 40 %», но и проверить, что клапан действительно открылся на 40 %.

В раннем проекте был указан WB-MAI11, но в актуальной версии он заменён на WB-MAI6, поскольку WB-MAI11 снят с производства.

5. Резервное питание

WB-UPS v.3 – 1 штука.

Этот модуль обеспечивает резервное питание контроллера и его основных модулей.

При кратковременном отключении электричества контроллер продолжит:

записывать данные;
контролировать аварии;
сохранять настройки;
корректно завершать работу;
передавать уведомление о пропадании питания.

6. Основной блок питания

Mean Well HDR-100-24, 24 В DC – 1 штука.

Он питает:

Wiren Board 8;
интерфейсные модули;
аналоговые модули;
привод Danfoss AME 435;
вспомогательные устройства 24 В.

7. Отдельный трансформатор для AME 30

Трансформатор 230 В → 24 В AC, 30 ВА – 1 штука.

Он нужен специально для привода Danfoss AME 30, поскольку этот привод работает только от переменного напряжения 24 В. Подключать его к обычному блоку питания 24 В постоянного тока нельзя.

Конкретные электроприводы клапанов

Danfoss AME 435, артикул 082H0161

Этот привод уже имеется.

Он устанавливается на клапан:

Danfoss VF3 DN65.

Питание привода – 24 В AC или DC.

Управление – 4–20 мА.

Обратная связь о положении – 0–10 В.

Полное время хода – около 150 секунд.

Danfoss AME 30, артикул 082G3017

Этот привод необходимо приобрести.

Он устанавливается на клапан:

Danfoss VFG2 DN65.

Питание – только 24 В AC.

Управление – 4–20 мА.

Обратная связь – 0–10 В.

Ориентировочная стоимость, заложенная в проекте, составляет около 50 000 рублей.

Оба привода позволяют получать реальное положение клапана. Система сможет обнаружить ситуацию, когда команда передана, но клапан не переместился из-за заклинивания, неисправности привода или механической проблемы.

ВСТАВИТЬ ФОТО 2. Фотография существующего привода Danfoss AME 435 и клапана VF3 DN65. Желательно сфотографировать общий вид и заводскую табличку.

ВСТАВИТЬ ФОТО 3. Фотография клапана VFG2 DN65, на который планируется установить Danfoss AME 30. Если старый привод ещё установлен, показать его отдельно.

ВСТАВИТЬ СХЕМУ 2. Схема подключения приводов. Показать:

WB-MAO4-20mA → управляющий вход Y привода;
выход X привода → WB-MAI6;
Mean Well HDR-100-24 → Danfoss AME 435;
трансформатор 230/24 В AC → Danfoss AME 30;
Wiren Board 8 → RS-485 → WB-MAO4 и WB-MAI6.

Важное уточнение по трём регулирующим узлам

В описании задачи указано управление:

задвижкой на подаче;
задвижкой на обратке;
трёхходовым клапаном.

Однако в приложенных технических проектах конкретно определены только два привода:

Danfoss AME 435;
Danfoss AME 30.

Поэтому до закупки необходимо точно установить:

На каких двух клапанах уже установлены или будут установлены AME 435 и AME 30.
Какой тип и диаметр имеет третий регулирующий клапан.
Совместим ли третий клапан с приводами Danfoss.
Требуется ли покупка третьего привода.
Какой сигнал управления и обратной связи поддерживает третий привод.

Модуль WB-MAO4-20mA имеет свободные выходы, а WB-MAI6 имеет свободные входы. Поэтому контроллерная часть уже позволяет подключить третий привод. Но конкретную модель третьего привода нельзя правильно определить без осмотра самого клапана.

Управление насосами Wilo Giga

Для подключения насоса Wilo Giga предусмотрен:

Wilo IF-Module 2097809

Это интерфейсный модуль, позволяющий подключить насос к Wiren Board по протоколу Modbus RTU.

Ориентировочная стоимость, указанная в проекте, составляет около 25 000 рублей.

После подключения система сможет получать доступные параметры насоса и передавать команды управления, включая изменение скорости, если это поддерживается конкретной модификацией насоса и установленным модулем.

В приложенном проекте указан один Wilo Giga. Если фактически установлено несколько насосов, необходимо проверить каждый насос. Для каждого отдельного насоса может потребоваться собственный интерфейсный модуль.

ВСТАВИТЬ ФОТО 4. Общая фотография насоса или насосов Wilo Giga.

ВСТАВИТЬ ФОТО 5. Крупная фотография заводской таблички каждого Wilo Giga. Должны читаться модель, мощность, напряжение, серийный номер и другие данные.

ВСТАВИТЬ ФОТО 6. Фотография места установки Wilo IF-Module либо крышки электронного блока насоса, куда должен устанавливаться интерфейсный модуль.

Подключение насосной станции Grundfos

В существующем оборудовании определена насосная станция:

Grundfos HYDRO MULTI-E 2 CRE5-04 с контроллером CU 352.

Это станция с двумя насосами, а не один отдельный насос.

Для первоначального подключения предусмотрен имеющийся у ТСЖ:

Bolid USB-RS485.

Он подключается к USB-порту Wiren Board и используется для попытки чтения станции по GENIbus.

Однако в проекте отмечен технический риск: контроллер CU 352 сам управляет внутренними насосами, поэтому прямое чтение GENIbus может потребовать отдельной настройки и разработки программного модуля.

Если прямое подключение не заработает, потребуется штатный интерфейс Grundfos:

CIM 200 – Modbus RTU;
либо CIM 500 – Modbus TCP.

До закупки необходимо открыть контроллер CU 352 и проверить:

наличие свободного места для CIM;
наличие доступных клемм GENIbus;
точную конфигурацию станции.

ВСТАВИТЬ ФОТО 7. Общая фотография Grundfos HYDRO MULTI-E.

ВСТАВИТЬ ФОТО 8. Крупная фотография панели и заводской таблички CU 352.

ВСТАВИТЬ ФОТО 9. Фотография внутренней части контроллера CU 352 после безопасного открытия специалистом. На фотографии должны быть видны свободные разъёмы и место для модуля CIM.

Датчики, которые необходимо добавить

Для эффективного автоматического управления нужны:

уличный датчик температуры;
датчик температуры подачи;
датчик температуры обратки;
датчики температуры в контрольных точках дома;
датчики давления на подаче и обратке;
датчик перепада давления;
датчики температуры на нижних, средних и верхних этажах;
при необходимости – дополнительный расходомер.

Конкретные модели этих датчиков в приложенных проектах пока не определены.

Их необходимо подобрать после обследования с учётом:

диапазона температур;
диаметра труб;
рабочего давления;
возможности установки без остановки отопления;
длины кабельных линий;
требуемой точности;
наличия интерфейса RS-485, Modbus RTU, 4–20 мА или 0–10 В.

В итоговой смете эти датчики должны быть вынесены отдельным разделом.

ВСТАВИТЬ СХЕМУ 3. План дома с контрольными точками температуры. Показать минимум:

первый этаж;
средние этажи;
верхний этаж;
холодную угловую часть дома;
наиболее тёплую часть дома;
уличный датчик на затенённом фасаде.

Как будет работать машинное обучение

Машинное обучение не должно напрямую и бесконтрольно включать насосы или полностью открывать клапаны.

Безопасная схема состоит из двух уровней.

Первый уровень – локальная автоматика Wiren Board

Wiren Board 8 выполняет обязательные правила:

ограничивает максимальную температуру подачи;
ограничивает минимальное и максимальное положение клапанов;
ограничивает скорость изменения положения клапана;
контролирует давление;
контролирует связь с оборудованием;
переводит систему в безопасный режим при неисправности;
сохраняет ручное управление.

Второй уровень – аналитическая модель

Модель машинного обучения анализирует историю и рассчитывает рекомендуемые значения:

требуемую температуру подачи;
требуемую скорость Wilo Giga;
положение трёхходового клапана;
положение клапанов подачи и обратки;
допустимый расход теплоносителя;
прогноз потребности дома в тепле на несколько часов вперёд.

Wiren Board получает эти значения, проверяет их по установленным ограничениям и только после этого передаёт команды оборудованию.

Таким образом, искусственный интеллект помогает находить наиболее экономичный режим, но не может отменить аппаратные ограничения и правила безопасности.

ВСТАВИТЬ СХЕМУ 4. Схема взаимодействия автоматики и машинного обучения:

«Датчики и счётчики» → «Wiren Board 8» → «Хранилище истории» → «Модель машинного обучения» → «Рекомендованные настройки» → «Проверка ограничений в Wiren Board» → «Клапаны и насосы».

Отдельно показать ручное управление и аварийные ограничения, которые действуют независимо от модели.

Какие данные будет изучать модель

Модель будет сопоставлять:

температуру на улице;
температуру в доме;
температуру подачи;
температуру обратки;
расход воды;
количество потреблённого тепла;
скорость насосов;
положение клапанов;
время суток;
день недели;
скорость похолодания;
скорость потепления;
тепловую инерцию здания.

Например, если система узнает, что после увеличения подачи дом продолжает нагреваться ещё два часа, она сможет заранее уменьшить подачу и не допустить перегрева.

Первое время модель должна работать только в режиме рекомендаций. Автоматическое применение её команд разрешается после проверки результатов.

Что увидят жильцы

Для жильцов и правления необходимо создать простую страницу, на которой будут показаны:

температура на улице;
температура подачи;
температура обратки;
текущий расход воды;
потребление тепла за сутки;
положение клапанов;
скорость насосов;
средняя температура в контрольных точках;
наличие аварий;
сравнение с прошлым месяцем;
объяснение текущего режима простыми словами.

Пример сообщения:

«На улице стало теплее. Система уменьшила температуру подачи и скорость насоса, чтобы квартиры не перегревались и дом не расходовал лишнее тепло».

ВСТАВИТЬ ИЗОБРАЖЕНИЕ 10. Макет простой панели для жильцов. Использовать крупные цифры, понятные подписи и минимум технических сокращений.

Безопасность и ручное управление

Обязательно сохраняются:

ручное управление приводами;
ручной режим насосов;
аварийные термостаты;
аппаратные защиты;
ограничения по температуре и давлению;
автономная работа без интернета;
журнал всех команд;
предупреждение о расхождении между заданным и фактическим положением клапана.

У обоих приводов Danfoss предусмотрено ручное управление. Клеммы 1 и 3 можно использовать для аварийного открытия или закрытия клапанов независимо от основной программы.

Этапы реализации

Этап 1. Обследование

Необходимо:

сфотографировать всё оборудование;
переписать модели насосов и клапанов;
определить назначение каждого трубопровода;
определить, где находится подача, обратка и трёхходовой клапан;
проверить AME 435;
определить третий привод;
проверить Wilo Giga;
проверить Grundfos CU 352;
определить места установки датчиков.

Этап 2. Сборка щита

Устанавливаются:

Wiren Board 8;
WBE2-I-RS485-ISO;
WB-MAO4-20mA;
WB-MAI6;
WB-UPS v.3;
Mean Well HDR-100-24;
трансформатор 230/24 В AC;
УЗИП;
автоматы;
клеммы;
DIN-щит.

Этап 3. Подключение существующего оборудования

Подключаются:

«Меркурий 230» № 1;
«Меркурий 230» № 2;
ТВ7-04V;
Wilo Giga;
Grundfos CU 352;
AME 435;
AME 30.

Этап 4. Монтаж датчиков

Устанавливаются датчики температуры, давления, перепада давления и контрольные датчики по этажам.

Этап 5. Базовая автоматика

Система начинает работать по обычному температурному графику без машинного обучения.

Этап 6. Сбор статистики

Не менее нескольких недель, а желательно значительная часть отопительного сезона.

Этап 7. Обучение модели

Модель рассчитывает более экономичные режимы и сначала выдаёт только рекомендации.

Этап 8. Опытная эксплуатация

После проверки модель получает право плавно корректировать настройки в пределах безопасных ограничений.

Как будет подтверждаться экономия

До запуска и после запуска сравниваются:

потребление тепла в Гкал;
объём теплоносителя;
температура подачи;
температура обратки;
разница температур;
средняя температура на улице;
температура в контрольных точках;
количество жалоб на холод и перегрев.

Экономия считается только при сопоставимых погодных условиях.

Результат проекта – равномерное отопление дома, снижение перегрева и максимально эффективное использование каждого кубометра теплоносителя.

Умное управление отоплением дома