Управљање подсистемом за добијање топле санитарне воде

Transcription

1 Управљање подсистемом за добијање топле санитарне воде Никола Татовић Факултет техничких наука, Чачак, (Affiliation) Електротехничко и рачунарско инжењерство, Рачунарско инжењерство, 2018/2019 проф. др Синиша Ранђић Апстракт У овом раду биће приказана реализација једног соларног контролера који омогућава загревање санитарне воде на што ефикаснији начин. Презентација рада биће приказана на микроконтролерском развојном окружењу Easy Pic фирме Mikroelektronika. Кључне речи програмирање, микроонтролери, соларни контролер 1 УВОД Наменски рачунарски системи су системи одређене намене, прилагођени за управљање специфичним ситуацијама у реалном времену. Како су овакви системи намењени за извршење коначног скупа операција, насупрот системима опште намене, њихова цена је врло ниска. Савремени свет се не може замислити без оваквих система. Примери наменских система су калкулатор, мобилни телефон, штампач, AIR BAG систем, апарати за кафу и још много других система из савременог живота где је потребно да одређени уређај има одзив на ограничен број улазних стања. Срж оваквог система је миропроцесор који врши управљање периферијама према уписаном програму. С обзиром на широку примену оваквих система и периферије које се повезују на овакве системе су разноврсне модули за комуникацију, дисплеји, разне врсте интелигентних сензора, интерфејси према кориснику, драјвери за одређене моторе итд. Битна карактеристика наменских система је њихова поузданост. Како овакви системи раде у различитим временским условима, разним критичним ситуацијама морају бити пројектовани тако да обезбеде своје сервисе до тренутка t, ако су у претходном тренутку били у исправном стању. Пример оваквих систем јесте свакако соларни контролер. Ради према уписаном програму у реалном времену, као своје улазе узима вредности са сензора и вредности параметара које је корисник уписао и у зависности од улазних стања врши управљање циркулационим пумпама и грејачем. Ако се погледа природа целог процеса регулисања загревања воде јасно је да овакав систем мора бити врло поуздан. Када се помене соларни контролер најбитнији аспекат таквог наменског система јесте енергетска ефикасност. Циљ је да се што више искористи енергија из обновњивих извора која је за корисника бесплатна, чиме се смањују трошкови изазвани употребом других извора за загревање санитарне воде. 2 ПРОБЛЕМИ ЕНЕРГЕТСКЕ ЕФИКАСНОСТИ Сам појам енергетска ефикасност подразумева два значења. Прво значење се односи на уређаје. За један уређај кажемо да је енергетски ефикасан уколико поседује велики степен корисног дејства односно уколико има мале губитке приликом трансформације једног облика енергије у други. Типичан пример енергетски неефикасног уређаја је сијалица са ужареним влакном која највећи део уложене енергије одаје у виду топлоте, а само мали део те енергије претвара у светлост. Насупрот сијалицама са ужареним влакном, ЛЕД светиљке су енергетски високо ефикасни извори светлости јер троше јако мало снаге, не загревају се пуно и што је најважније нуде довољну количину светлосног флукса. Друго значење енергетске ефикасности се односи на мере које се предузимају ради смањења потрошње електичне енергије. Неке од тих мера су: Замена необновљивих извора обновљивим Замена енергетски неефикасних уређаја ефикасним Уградња изолације Замена дотрајале столарије Контрола продирања сунчеве светлости у просторије итд. 3 ПРЕГЛЕД ПОСТОЈЕЋИХ СИСТЕМА ЗА ПРОИЗВОДЊУ ТОПЛЕ САНИТАРНЕ ВОДЕ Основне компоненте система соларне инсталације су соларни колектор, цевовод, резервоар (бојлер), базен, подсистем грејања, електронску регулацију, експанзиони суд, циркулациону пумпу и систем арматура које су

2 потребне за сигуран и рад соларних колектора. Основна улога колектора је претварање енергије сунчевог зрачења у топлоту. Базу колектора представља апсорбер са топлотном изолацијом у кућишту, које због специфичног места у систему мора бити мале тежине, велике механичке чврстоће, отпорно на корозију и водонепропустиво. Такође битан део кућишта је транспоарентни покривач који се налази на предњој страни и има улогу да смањи губитке и да повеће пропусност сунчевог зрачења. Топлота се посредством течности одводи путем цевовода до бојлера у коме је уграђен измењивач топлоте (најчешће реализован у облику спирале) преко кога се греје вода. У огромном броју случајева поред измењивача топлоте користи се и додатан извор топлоте - електрични грејач или котао. Експанзиони суд служи за равномерно одржавање притиска у систему. Комплетан мониторинг и управљање оваквог система се врши неким микропроцесорским системом који у зависности од улазних параметара врши регулацију топлоте воде на најоптималнији начин. Као радни медијум најчешће се користи течност која се уз помоћ центрифугалне пумпе преноси до измењивача топлоте. Та течност се састоји или од воде помешане са антифризом или је сама на бази антифриза пропиленгликола. У мањим системима се истовремено врши размена и акумулација воде у маси воде, док у већим системима размењивач и складиште топле воде су раздвојени што захтева употребу циркулационе пумпе да би се топлота пренела до потрошног места. За просечно домаћинство потребan je соларни кoлектор od око 4 m² са течним медијумом (слика 1). Топлота се из колектора путем радне течности преноси до размењивачког снопа цеви који је смештен у доњој зони бојлера. Циркулисање течности обезбеђује циркулациона пумпа која се пали на сигнал диференцијалног термостата. Диференцијални термостат чита температуре радне течности у колектору и воде у бојлеру и када је та разлика већа од 5 Сº пали циркулациону пумпу. Тада се врши загревање воде и чим разлика у наведеним температурама падне испод прага диференције гаси се циркулациона пумпа да не би дошло до контра ефекта хлађења воде у бојлеру и загревања радне течности. У условима када није могуће обезбедити загревање сунчевом енергијом систем има могућност загревања воде преко кућног котла чија је спирала уграђена у горњој зони бојлера. Слика 1. Кућна соларна инсталација за грејање санитарне воде 4 ИДЕЈНО РЕШЕЊЕ СИСТЕМА ЗА УПРАВЉАЊЕ Управљачка јединица је приказана на слици 2. Цео систем управљања развијен је на развојном окружењу EASY PIC фирме MIRKOELEKTRONIKA Стилови свих наслова и поднаслова су дефинисани овим шаблоном. Њихова нумерација је аутоматска.

3 Слика 2. Изглед управљачке јединице регулатора Еаsy PIC је најпознатија серија развојних окружења фирме MIRKOELEKTRONIKA. Користе је људи свих профила од хобиста до професионалаца. Основне карактеристике су: Лако повезивање са корисником преко USB кабла Поседовање on board програматора и debuggera Подржавање преко 350 различитих типова микроконтролера Поседовање microbus портова за комуникацију са периферијама савремен тренд у области наменски рачунарских система је лако повезивање периферија са системом. Плоча поседује два конектора преко којих се може остварити овај тип комуникације. Комуникациони пинови су SPI, UART и I2C, а постоје и пинови за PWM, Interrupt, Analog input, Reset и Chip Select Дупло напајање регулатор MC34063A који даје напон од 5 волти и регулатор MC33269DT3.3 који даје 3.3 волта. Плоча се може напајати преко USB кабла, екстерног адаптера или преко уобичајеног конектора за спољни напон у распону од 9 до 23 волта. Да ли плоча даје 3.3 или 5 волти одређује се једноставно положајем краткоспојника Подразумевани тип микроконтролера је PIC18F45K22 Употреба екстерног или интерног осцилатора RS232 серијска комуникација обезбеђена преко UART (Universal asynchronous receiver/transmitter) модула који има раздвојене линије за пријем и слање сигнала и може се користити за full duplex комуникацију USB комуникација 5 портова са 8 улазно излазних пинова од којих сваки пин има придружен тастер и диоду која приказује стање тог пина LCD или Liquid Crystal Display јефтина верзија дисплеја која је врло често у употреби. Могуће је приказати 2*16 карактера где сваки карактер заузима место од 5*7 тачака. Екстерним потенциометром могуће је регулисати позадинску осветљеност дисплеја.

4 GLCD или Graphical Liquid Crystal Display се користи за приказ било слике или текста. Има резолуцију од 128*64 пиксела. Физичка веза је преко порта B кога користи и LCD дисплеј па је употреба оба дисплеја немогућа. Екстерним потенциометром могуће је регулисати позадинску осветљеност дисплеја. Touch panel controller стаклена површина резистивног типа која ослед додира омогућава контролеру да одреди кординате притиснуте површине. Седмо сегментни дисплеј користи се за приказ цифара DS1820 дигитални температурни сензор који користи 1 wire протокол за комуникацију. Омогућава мерење температуре од -55 до 128 С LM35 аналогни температурни сензор ниске цене и велике поузданости са могућношћу мерења температуре од 2 до 150 С Спољњи ЕЕPROM сa I2C комуникацијом Зујалица 5 РЕАЛИЗАЦИЈА ПРОЈЕКТА У почетном делу програма врши се најпре иницијализација улазно излазних портова. Требало је дефинисати портове за комуникацију са сатом реалног времена, графичким дисплејем, аналогно дигиталним конвертором и тастерима који омогућавају подешавање уређаја. Следећи корак је дефинисање променљивих и функција које се користе у програму. Након што се изврши целокупна софтверска и хардверска иницијализација врши се учитавање параметара из EEPROM меморије. То обухвата све параметре које је корисник задао. На основу вредности тих параметара врши се одабир радне шеме којој су приписани одговарајући параметри од чега и зависи приказ почетног стања. Систем извршава хардверски прекид сваке секунде. У прекидној рутини врши се очитавање температура са сензора и побуђивање излаза. Такође у почетном стању врши се и испитивање тастера за улазак у главни мени. Уколико се тастер притисне уређај прелази у стање у коме приказује главни мени. Главном менију је придружен графички показивач који заправо представља селектор одговарајуће опције у главном менију. Такође, у овом стању се врши испитивање свих тастера. Уколико корисник притисне тастер IZLAZ систем прелази у почетно стање. За кретање кроз главни мени користе се тастери + и - којима се инкрементира или декрементира показивач у главном менију. Тастером ОК прелази се у стање дефинисано показивачем. Та стања могу бити Избор шема мени, Подешавање времена, Подешавање параметара и Приказ температура. При уласку у Избор шема мени приказује се шема придружена показивачу. Притиском на тастер излаз приказује се почетно стање. Тастерима + / - врши се инкрементирање и декрементирање показивача придруженом овом менију. Постоје три реализоване шеме тако да показивач може имати вредност 1, 2, или 3. Тастером ОК одабира се селектована шема, врши ажурирање ЕЕPROM меморије и уређај поново приказује главни мени. Следеће стање у коме се уређај може наћи јесте подешавање времена. Уласком у ово стање уређај исписује тренутно време са курсором испод времена што кориснику даје индикацију да је започет процес подешавања. Када се подесе сати, притиском на тастер ОК уписују се сати у сат реалног времена након чега курсор указује да треба подесити минуте. Након одабира жељених вредности минута, притиском на ОК врши се упис минута у сат реалног времена чиме се завршава процес уписивања времена и уређај прелази у стање у коме приказује главни мени. Следеће стање система је стање у коме се подешавају кориснички параметри. Аналогно претходним стањима и овом стању је придружен показивач који омогућава кретање кроз овај мени. Тастером ИЗЛАЗ уређај приказује главни мени. Током кретања кроз ово стање, у првом реду графичког дисплеја исписује се име параметра и његова вредност у следећем реду. Да би променио жељени параметар неопходно је да корисник притисне тастер ОК, након чега се појављује курсор испод вредности параметра, што означава да је могуће променити вредност параметра. Поновним притиском на тастер ОК, у EEPROM меморију уписује се нова, кориснички задата вредност. Последње стање врши приказ температура. У овај мени се такође улази из главног менија. У оквиру овог стања систем само врши приказ температура са 4 сензора који су физички смештени на одређене локације у соларној инсталацији. Притиском на тастер излаз уређај поново приказује главни мени. 6 ЗАКЉУЧАК Кроз рад дат је опис компонената реализованог система са описом начином рада. Дати су неки примери из праксе на основу којих се може сагледати употреба соларног контролера, реализоване су најчешће коришћене ситуације и описан ток израде кода ове апликације.у примерима који су реализовани кроз овај рад јавила су се одређена ограничења по питању програмске меморије која код ове фамилије микроконтролера износи 32 КB. То је конкретан систем ограничило по употреби корисничких параметара којима би се могло утицати на саму енергетску ефикасност система. Надоградња овог рада може бити употреба тих додатних параметара и повећање броја реализованих шема што би један овакав систем учинило потпуно употребљивим у пракси.

5 ЛИТЕРАТУРА [1] Milan Verle, PIC mikrokontroleri, Мikroelektronika, Beograd, 2008 [2] Cady, F. M., Microcontrollers and Microcomputers Principles of Software and Hardware Engineering, 2 nd edition, Oxford University Press, 2009 [3] Wilmshurst, T., Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers: principles and Applications, 2 nd edition, Newnes, 2009 [4] Kamal, R., Microcontrollers: Architecture, Programming, Interfacing and System Design, 2 nd edition, Pearson, 2011 [5] Miroslav Lambić, Solarne tehnologije i fotonaponski sistemi, АCM knjiga d.o.o., Beograd, 2013 [6] Hans-Joahim Geist, Fotonsponska postrojenja, Agencija Exo, Srbija, 2015 [7] Radojle Radetić, Operacioni pojačavači sa zbirkom šema, Infoeletronika, Niš, 2015 [8] Rafiquzzamn, M., Microcontroller Theory and Applications with the PIC18F, 2nd edition, Wiley, 2018 Коришћени WEB ресурси [9] [10] [11] [12]