SMACONT | Терморегулятор на четыре канала

Содержание

Общее описание
Схемы подключения
Настройка сетевого соединения
Конфигурирование WiFi-модуля SC120 (v1.01)
Конфигурирование WiFi-модуля SC120 (v2.01)
Конфигурирование WiFi-модуля SC120 (v3.01)

Общее описание

Терморегулятор — это устройство, способное реагировать на изменения температурного режима в помещении и предназначен для поддержания постоянной температуры, заданной пользователем. Используется в системах, требующих высокой чувствительности и тонкой регулировки.

Терморегулятор не только поддерживает заданную (комфортную) температуру в помещении, но и экономит энергию, и, соответственно экономит денежные средства.

Терморегулятор может работать в двух режимах:
- триггерный режим, в котором отключение или включение нагрева осуществляется при достижении заданного предела. Недостатком режима является колебание температуры в пределах 1˚С...3˚С (зависит от скорости работы исполнительного устройства, его инерционности);
- режим плавного действия, где имеется возможность тонкой и точной настройки, обеспечивающей контроль изменения температуры в диапазоне долей градуса.

Терморегулятор состоит из электронного блока, датчиков температуры (получение текущей температуры в системе) и исполнительных устройств, установленных на радиаторах.

Электронный блок в своем составе имеет:
- стандартный WiFi-модуль SC120, сконфигурированный соответствующим образом;
- электромеханические реле и/или твердотельные реле. Допускается одновременно использовать разные типы реле;
- светодиодный индикатор "ИНД", для индикации работоспособности терморегулятора (опционально);
- электромеханическое реле, применяемое для реализации автоматической зарядки смартфона или планшета, используемого в постоянно включенном режиме (опционально);
- преобразователь напряжения 220В в 5В.

В качестве датчиков температуры используются датчики DS18B20. Выносные датчики температуры рекомендуется подключать на расстоянии не более 50 метров. Также допускается использовать температурные датчики LM35 (TMP35, TMP36, TMP37). Удаленное (дистанционное) подключение датчиков LM35 (TMP35, TMP36, TMP37) рассмотрено в статье "Подключение датчиков температуры LM35 (TMP35, TMP36, TMP37) к WiFi-контроллеру SC120".

Терморегулятор на базе WiFi-модуля SC120 может работать как самостоятельное устройство (в автономном режиме), так и под управлением сервера в виде смартфона (с установленным приложением "Smacont TR04") или системы умного дома "MajorDoMo" или "ioBroker".

Терморегулятор рассчитан на четыре канала управления (поддержание температуры в четырех помещениях). При этом, возможности гибкого конфигурирования WiFi-модуля SC120, позволяют добавить дополнительные функции в рамках возможностей модуля. Например, чтобы не тянуть длинные линии от температурных датчиков и исполнительных устройств, можно расположить отдельные модули SC120 в каждом помещении. В этом случае появляется возможность, не только регулировать температуру в помещении, но и возможность подключения датчиков (движения, протечки воды и т.д.) и дополнительных устройств управления (светильники, люстры, подсветка мебели, электрокарнизы).

Небольшие габариты WiFi-модуля SC120 позволяют встраивать его в существующие распределительные коробки.

Характеристики терморегулятора

- Погрешность измерения температуры: ±0,5˚С;
- Разрешение измерения температуры: 0,1°С;
- Период измерения температуры: 3сек.;
- Цифровая фильтрация результата для повышения стабильности показаний: вкл./откл.;
- Коррекция измеренной температуры: от минус 7,0ºС до +7,0ºС (по умолчанию 0,0ºС);
- Напряжение питания контроллера SC120: от +5В до +9В;
- Ток потребления WiFi-модуля SC120: 60мА, пиковое значение 200мА;
- Рабочая температура терморегулятора: от минус 20˚С до +85˚С.

Триггерный режим работы терморегулятора

Триггерный режим работы терморегулятора заключается в следующем.

При достижении значения минимальной температуры в помещении, модуль SC120 подает команду на включение исполнительного устройства в соответствующем помещении. Производится нагрев воздуха в помещении.

При достижении значения заданной температуры в помещении, модуль SC120 подает команду на отключение исполнительного устройства в помещении. Нагрев воздуха в помещении прекращается.

Режим плавного действия терморегулятора

Для работы в режиме плавного действия используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), которая заложена в WiFi-модуле SC120.

Режим плавного действия терморегулятора заключается в следующем.

При достижении значения минимальной температуры в помещении, модуль SC120 формирует ШИМ с максимальной скважностью (заполнением). Реле постоянно включено. Производится нагрев воздуха в помещении.

По мере приближения значения температуры к заданному значению, скважность (заполнением) ШИМ уменьшается и при достижении значения заданной температуры в помещении, модуль SC120 формирует ШИМ с минимальной скважностью (заполнением). Реле постоянно отключено. Нагрев воздуха в помещении прекращается.

При выборе частоты ШИМ необходимо учитывать инерционность исполнительного устройства, при этом предпочтительно использовать инфранизкие или низкие частоты ШИМ, в диапазоне от 0,01Гц до 10Гц.

Возможно применение фазо-импульсной модуляции (ФИМ), которая так же заложена в WiFi-модуле SC120. Описание применения ФИМ в будет освещено в следующей статье.

Работа по расписанию

Благодаря наличию в WiFi-модуле SC120 встроенных часов реального времени и для более эффективной экономии энергии (для снижения денежных затрат на обогрев помещений), предусмотрена работа терморегулятора по расписанию.

В модуле реализована возможность синхронизации встроенных часов реального времени через сеть интернет. Синхронизация времени осуществляется в момент подачи питания на модуль, а затем один раз в 24 часа.

Следует учитывать следующие особенности использования встроенных часов реального времени:
1. Модуль SC120 не имеет резервного источника питания для сохранения хода часов реального времени, поэтому, для сохранения хода часов реального времени, необходимо либо обеспечить бесперебойное питание модуля, либо разрешить синхронизацию встроенных часов реального времени через сеть Интернет.
2. Прежде чем разрешить синхронизацию времени через интернет, необходимо откалибровать точность хода часов реального времени путем установки соответствующего значения параметра «Корректировка».
3. Синхронизацию времени через сеть интернет осуществляется только при условии подключения модуля к локальной WiFi-сети, а также при наличии доступа из локальной WiFi-сети к сети Интернет.
4. Необходимо отметить, что к модулю SC120 можно обращаться с разных устройств, но на этих устройствах системное время может отличаться друг от друга. Поэтому, отслеживание точности и производить корректировку хода часов реального времени необходимо с одного и того же устройства.

Для работы по расписанию используется "Будильник0" и "Будильник1", реализованные в модуле SC120.

Работа по расписанию заключается в следующем.

В терморегуляторе назначается комфортная температура помещения. Далее назначаются параметры первого и второго расписания: день недели, час, минута и продолжительность режима, а также значение температуры, которая должна быть установлена для данного расписания и для каждого помещения.

Пример
1. Назначаем комфортную температуру:
   температура помещение 1 (ванна): 22°С;
   температура помещение 2 (кухня): 22°С;
   температура помещение 3 (гостиная): 22°С;
   температура помещение 4 (спальня): 21°С.
2. Определяем рабочее время (когда дома никого нет). Конфигурируем "Будильник0" для работы в следующем режиме:
   параметр "Час/Минута": 8:00;
   параметр "День недели": ПН ВТ СР ЧТ ПТ;
   параметр "Время АКТИВНОГО состояния": 540 минут (9 часов);
   температура помещение 1 (ванна): 17°С;
   температура помещение 2 (кухня): 16°С;
   температура помещение 3 (гостиная): 18°С;
   температура помещение 4 (спальня): 18°С.
3. Определяем ночное время. Конфигурируем "Будильник1" для работы в следующем режиме:
   параметр "Час/Минута": 23:00;
   параметр "День недели": ПН ВТ СР ЧТ ПТ СБ ВС;
   параметр "Время АКТИВНОГО состояния": 360 минут (6 часов);
   температура помещение 1 (ванна): 18°С;
   температура помещение 2 (кухня): 16°С;
   температура помещение 3 (гостиная): 18°С;
   температура помещение 4 (спальня): 20°С.

Работа терморегулятора по расписанию

Реализация более сложных сценариев возможна при работе под контролем сервера в виде смартфона (с установленным приложением "Smacont TR04") или системы умного дома "MajorDoMo" или "ioBroker".

Применение электромеханического реле

Электромеханическое реле целесообразно применять в триггерном режиме.

В режиме плавного действия, электромеханическое реле рекомендуется использовать при инфранизких частотах ШИМ от 0,01Гц до 0,1Гц.

Макет терморегулятора, на базе WiFi-модуля SC120, с применением электромеханического реле

Достоинства применения электромеханического реле:
- способность коммутации нагрузок мощностью до 4 кВт при объеме реле менее 10 см3;
- высокая электрическая изоляция между управляющей цепью (катушкой) и контактной группой — последний стандарт 5 кВ является недоступной мечтой для подавляющего большинства полупроводниковых ключей;
- малое падение напряжения на замкнутых контактах, и, как следствие, малое выделение тепла: при коммутации тока 10 А малогабаритное реле суммарно рассеивает на катушке и контактах менее 0,5 Вт, в то время как симисторное реле рассеивает более 15 Вт, что требует интенсивного охлаждения;
- низкая цена электромагнитных реле по сравнению с полупроводниковыми ключами;
- возможность коммутации как переменного, так и постоянного напряжения.

Недостатки применения электромеханического реле:
- малая скорость работы;
- ограниченный (хотя и очень большой) электрический и механический ресурс;
- создание радиопомех при замыкании и размыкании контактов;
- шум при включение и отключение реле;
- проблемы при коммутации индуктивных нагрузок и высоковольтных нагрузок на постоянном токе.

Применение твердотельного реле

Твердотельное реле (ТТР) допускается применять как в триггерном режиме, так и в режиме плавного действия.

Smacont. Макет терморегулятора на базе WiFi-модуля SC120 с применением твердотельного реле

Макет терморегулятора, на базе WiFi-модуля SC120, с применением твердотельного реле (работу трех первых реле имитируют светодиоды)

Достоинства применения твердотельного реле:
- бесшумная работа реле;
- повышенная надежность работы;
- больший срок службы;
- способность без вреда для себя переносить перегрузки до 200% по номинальному току. То, что у электромеханического реле приводит к подгоранию или выходу из строя контактов, у твердотельного вызывает срабатывание защиты от перегрузки;
- способность работать в любом положении в пространстве, что для некоторых электромеханических реле нежелательно или даже недопустимо;
- меньше помех при коммутации, так как искрение между контактами отсутствует по принципу работы;
- высокое быстродействие, что позволят выполнять цикл включение/отключение на очень короткий период.

Недостатки применения твердотельного реле:
- возможность коммутации только переменного напряжения;
- стоимость, превышающая цену электромеханических аналогов;
- обеспечение соответствующего теплового режима. Перегрев приводит к выходу из строя.

Программное обеспечение

Все настройки терморегулятора осуществляются при помощи "Программы Конфигурирования" или приложения "Smacont TR04" (В РАЗРАБОТКЕ), установленного на смартфон/планшет (ОС Андройд, версия 5+).

Смартфон (планшет) может использоваться как в постоянно включенном режиме, так и в режиме временного контроля/задания параметров терморегулятора. При использовании смартфона (планшета) в постоянно включенном режиме предусмотрена возможность его периодической зарядки при достижении пороговых значений. Событие разряда и достижения заряженного состояния аккумуляторной батареи, отслеживается приложением "Smacont TR04", которое выдает управляющие сигналы на отдельное реле.

Для локального или глобального контроля значения температуры в контролируемых помещениях можно использовать приложение "Smacont RC03" или приложения "Smacont TR04" (В РАЗРАБОТКЕ), установленного на смартфон/планшет (ОС Андройд, версия 5+).

Основные настройки терморегулятора:

- задание температуры в каждом конкретном помещении;
- задание минимального значения температуры в каждом конкретном помещении;
- включение/отключение цифровой фильтрации значений температуры, для повышения стабильности показаний;
- коррекция значений температуры;
- выбор режима работы: триггерный или плавного действия;
- выбор типа исполнительного устройства.

Отображаемая информация:

- отображение значений заданной температуры;
- текущее значение температуры в каждом помещении.
- текущее состояние реле или значение скважности (заполнения) ШИМ.

Исполнительные устройства

В данном проекте применяется электротермический сервопривод для системы отопления, который устанавливается на термостатический клапан.

Электротермический сервопривод

Термостатический клапан

Сервопривод состоит из пружинного механизма и небольшой емкости с жидкостью. Через нихромовый элемент проходит электрический ток. Именно он нагревает жидкость в сильфоне, которая в результате такого воздействия расширяется и воздействует на шток. Он выдвигается и давит на термоклапан.

Такой механизм называется термоприводом, поскольку работает благодаря расширению жидкости внутри под воздействием высокой температуры.

Основными достоинствами применения сервопривода является:
- возврат в открытое состояние при пропадании напряжения питания (тип сервопривода должен быть с "нормально открытым" состоянием). В этом случае, исключается отключение отопления при пропадании напряжения 220В или при выходе из строя терморегулятора (при пропадании питания или при перегорании предохранителя);
- бесшумная работа.

Характеристики сервопривода

- Напряжение питания: 220В (24В) (в зависимости от модели);
- Время закрытия клапана: 1...3 минуты (в зависимости от модели);
- Время открытия клапана: 5...15 минуты (в зависимости от температуры окружающего воздуха);
- Потребляемая мощность: 1,7...2,5Вт (в зависимости от модели);
- Пусковой ток: 200...600мА (в зависимости от модели).

Схемы подключения

Схема подключения датчиков температуры DS18B20, электромеханических реле и сервоприводов отопления к WiFi-модулю SC120

Схема подключения датчиков температуры DS18B20, электромеханических реле и сервоприводов отопления к WiFi-модулю SC120

Схема подключения датчиков температуры DS18B20, твердотельных реле и сервоприводов отопления к WiFi-модулю SC120

Настройка сетевого соединения

Перед началом работы с "Программой Конфигурирования" выполнить настройку сетевого соединения с WiFi-модулем (для Windows, для Android). После настройки сетевого соединения запустить "Программу Конфигурирования". Далее необходимо выполнить процедуру выбора IP-адреса контроллера SC120 и ввода пароля. При этом, вводить пароль "Администратора". При изготовлении модуля, для «Администратора» установлен пароль «admin».

Файл конфигурации, можно загрузить в WiFi-модуль SC120 при помощи "Программы архивирования и восстановления конфигурации".

Конфигурирование WiFi-модуля SC120 (v1.01)

Общее описание

1. Используется режим плавного действия.
2. Управление по расписанию не используется.
3. Для управления твердотельными реле применяется ШИМ.
4. В качестве датчиков температуры используются датчики DS18B20.
5. Светодиод "ИНД" используется для индикации работы терморегулятора.
6. Цифровая фильтрация результата: откл. (можно изменить при необходимости).
7. Коррекция измеренной температуры: 0,0ºС (можно изменить при необходимости).

Файл конфигурации

Файл конфигурации: thermoregulator-v1_01.zip.

Конфигурация Входов

Входы сконфигурированы в соответствии со схемой подключения.

Для "Вход0"..."Вход3" модуля SC120, присвоен тип "DS18B20: температура". Для данных входов подключена "подтяжка" к +3,3В.

Конфигурация Входов v1.01

Остальные входы модуля SC120 ("Вход4", "Вход5") не задействованы и имеют тип "Цифровой: инверсия". На каждый незадействованный вход подключена "подтяжка" к +3,3В, чтобы исключить их переключение в случайное состояние.

В данном окне производится включение/отключение цифровой фильтрации результатов измерения температуры для повышения стабильности показаний. Для этого необходимо изменить параметр "Фильтр" для "Вход0"..."Вход3". Параметр "Фильтр" имеет два состояния "Откл." и "Вкл.", которое соответствует отключению или включению цифровой фильтрации.

Конфигурация Выходов

Выходы сконфигурированы в соответствии со схемой подключения.

"Выход0"..."Выход3" сконфигурированы как ШИМ-выходы.

Конфигурация Выходов v1.01

Параметры "Частота" определяет период работы ШИМ. В зависимости от инерционности исполнительного устройства рекомендуется устанавливать значение от 0,01Гц до 10Гц

Параметры "Скважность (заполнение) установленное/текущее" для "Выход0"..."Выход3" определяются автоматически в обработчиках событий.

Конфигурация Таймеров

В данной конфигурации задействованы два таймера из четырех.

Конфигурация Таймеров v1.01

"Таймер0" запускается при подаче питания и используется для запуска периодического процесса вычисления необходимого значения скважности (заполнения) ШИМ для каждого выхода в зависимости от значения температуры.

"Таймер1" не используется.

"Таймер2" не используется.

"Таймер3" однократно запускается при подаче питания и используется для включения "Выход0"..."Выход3".

Обработчики событий

В контроллере задействованы:
- 7 обработчиков событий из 16-ти;
- 22 действия из 34-х.

Обработчики событий v1.01

"Событие0"..."Событие4"
Событие происходит циклически, при переходе "Таймер0" в активное состояние.
При этом выполняются следующие действия:

"Действие0"..."Действие3": переменным "Переменная0"..."Переменная3" присваивается значение заданной температуры.

Для перевода значения температуры, в значение, записываемое в контроллер (при определении заданной температуры), необходимо воспользоваться формулой:
val = T * 100 + 30000
где: Т - значение температуры в градусах Цельсия;
val – цифровое значение, записываемое в контроллер.

"Действие4"..."Действие15": определяется разность между значениями заданной и текущей температурой по каждому помещению.

"Действие20"..."Действие23": в зависимости от значения минимальной температуры, устанавливается значение скважности (заполнения) ШИМ.

"Событие14"
Событие происходит при переходе "Таймер0" в активное состояние.
При этом выполняются "Действие31", при котором происходит включение светодиода "ИНД" ("Выход4") на 50мс.

"Событие15"
Событие происходит однократно, при переходе "Таймер3" в активное состояние, после включения питания.
При этом выполняются "Действие33": включение "Выход0"..."Выход3".