EMIR - Ekvitermní mikroprocesorová regulace

Práce Středoškolské odborné činnosti 2003

Publikováno v časopise Praktická elektronika A Radio, č. 7/2004 a 8/2004

Abstrakt:

EMIR je mikroprocesorem řízený regulátor teplovodního vytápění. Pomocí ovládání servomotoru čtyřcestného ventilu topné soustavy, spínání kotle a teplovodního čerpadla udržuje v místnostech vytápěného objektu optimální teplotu. Umožňuje regulaci ekvitermní (dle venkovní teploty) i termostatovou (dle referenční místnosti). Ekvitermní regulace je dále korigována teplotní setrvačností objektu, aby byla dosažena optimální tepelná pohoda.

Regulátor umožňuje komunikaci s uživatelem pomocí inteligentního dvouřádkového displeje a čtyř tlačítek, pomocí nichž se nastavují uživatelské parametry regulace. Veškeré parametry včetně servisních je pak možné pohodlně upravovat z počítače připojeného přes sériové rozhraní pomocí speciálního programu. Regulátor periodicky zaznamenává údaje z vybraných teplotních čidel a měří dobu hoření plynového kotle, ze které je možné v ovládacím programu spočítat spotřebu plynu.

EMIR obsahuje tři uživatelsky definovatelné týdenní programy. Pro každou čtvrthodinu v týdnu je možné nastavit režim a parametr regulace. Pro ekvitermní režim umožňuje tedy nastavit posun topné křivky a pro termostatový režim požadovanou cílovou teplotu referenční místnosti. Dalším možným režimem je i úplné vypnutí regulace.

EMIR, obecné informace pro všechny verze firmware

Posledními verzemi firmware je v1.10 pro regulaci čtyřcestným ventilem a v2.09 pro regulaci přímým spínáním kotle. Obě vývojové větve jsou stabilní, odladěné a používané - nyní si již troufnu říci - desítkami uživatelů.

Regulátor EMIR jako hotový a oživený výrobek neprodávám ani není v nabídce žádné firmy. Nepiště mi prosím žádosti o postavení jednoho kousku, opravdu na to nemám čas ani kapacity. Plošné spoje je možné objednat u různých firem, které se zabývají výrobou DPS podle předloh v PE, např. Buček v Brně (www.bucek.name -> DPS -> rok 2004 -> NN68 až 70) nebo Kohout v Praze (volny.cz/plspoj), ceny se pohybují kolem 50Kč za kus. Naprogramování procesoru AT89S52 by nemělo být větším problémem pro nikoho pracujícího s mikroprocesory (podporuje je STK500), v případě potřeby můžu poštou naprogramovaný procesor poslat. (leden 2008)

Chyby ve schématech a popisech konektorů. V tabulce popisující zapojení konektorů je chyba - koncový spínač (rozpínací kontakt) má být napojen na konektor silová/K3, zatímco uživ. spínač (bývalé čidlo běhu kotle) na silová/K4/1-2. Význam konektorů je v tabulce v SOČ i v PE přehozený (netýká se v2 - tam se koncový spínač nepoužívá). Ovládací program ukazuje skutečné funkce zapojených spínačů správně. Ve schématu silové části je dále špatně zakresleno spojení konektorů silová/K5 a silová/K7 - jsou mezi sebou prohozené. Na osazováku je to správně.

Protože AT89C52 již prakticky nelze sehnat, doporučuji jej nahradit typem AT89S52. Je levnější a především je možné ho programovat přes SPI. Postup naleznete na stránce AT89S52 a UISP.

Nemáte rádi bouřky? Já taky ne. Nedávno se nám tu jedna taková větší přehnala a někde poblíž nešeho domu bouchnul blesk. Výsledek? Kromě vyhozených jističů a (naštěstí opravitelně) zničené vysílačky také škody na EMIRovi. Ty se pohybovaly ve dvou rovinách: jednak hodinám reálného času přestalo stačit 24 hodin denně a skočily na něco jako 85:15:20. To se naštěstí dalo spravit prostým přenastavením hodin na správnou hodnotu. Druhá škoda byla závažnější, i když ne z finančního hlediska. Vzhledem k tomu, že svody od čidel mám poměrně dlouhé a nestíněné, asi se do toho nejdelšího naindukovala špička. Zkrátka čidlo v podkroví se rozhodlo zarytě ukazovat -51°C. Dle předpokladu to odnesl multiplexer 4051 (IO4). Oprava spočívala v jeho vyměnění, naštěstí stojí pětikorunu. Takže doporučuji pro tento obvod použít patici (já regulátor při výměně dokonce ani nevypínal) a koupit si do šuplíkových zásob nějaký ten náhradní.

Koexistence EMIRa s dalšími zařízeními na COM portech počítače. V ovládacím PC mám kromě EMIRa připojený také kabel ke GPS Garmin. Jejich software (MapSource) je napsaný tak blbě, že prohledává všechny sériové porty počítače a posílá na ně nějaká data, aby zjistil, jestli se mu GPS neozve. Bohužel jsem nenašel žádný způsob, jak mu v tom zabránit, a jím posílaná data způsobí přinejmenším přenastavení času regulátoru na nesmyslnou hodnotu, v horším případě přepsání některých údajů či zamrznutí. Problémem je příliš primitivní komunikační protokol mezi EMIRem a PC, který však nelze upravit bez rozsáhlých zásahů do firmware i software a ztráty zpětné kompatibility. Pokud by někdo věděl, jak MapSource umravnit, byl bych vděčný - ComDisable na vyřazení enumerace daného portu nepomohl. (leden 2008)

V článku není dostatečně popsané zapojení sériové linky mezi regulátorem a počítačem. Zapojení konektoru RS232 lze nalézt například na rs232.hw.cz. Na konektoru většinou bývají malá čísílka, kterými jsou jednotlivé piny očíslovány. Pro 9pinový konektor (dnes už snad jediný používaný) platí zapojení: RXD (uprostřed) = 2, TXD (u procesoru) = 3 a zem (nejdál od procesoru) = 5. (leden 2008)

EMIR, firmware verze 1.xx

EMIR, firmware verze 2.xx

Verze 2 firmware regulátoru EMIR umožňuje regulaci bez směšovacího ventilu v systému. Toto řešení vyžaduje kotel, který dokáže dlouhodobě odolávat nízkoteplotní korozi (litinové těleso, ne ocelové). K regulaci se nepoužívá směšovací ventil se servomotorem, ale přímé spínání kotle (jeho termostat je nastavený na vysokou hodnotu, cca 80°C, která neovlivňuje regulaci).

V současné verzi 2.07 je implementováno dvoustupňové přepínání výkonu kotle (zatím otestováno na kotli Protherm 20 KLO), ukazatel procentuálního běhu kotle v minulém cyklu je zatím hodně orientační, rutiny měření jsou trochu nevhodně napsané. Když bude čas, opravím to. Na funkci to ale nemá větší vliv. Verze 2.07 obsahuje nový systém posunů ekvitermní teploty v teplotních programech, už nejsou zadávány abslutně (např. +3°C). Změna se zadává v procentech, o kolik víc má systém topit. Při zátopu (např. +10%) je hodnota relativná vůči "dolní konst. posunu", při ochlazování (např. -4%) vůči "horní konst. posunu". Toto řešení umožňuje efektivnější zátop a ochlazování nezávisle na vnější teplotě.

Je třeba úprovést několik úprav na DPS silové části. Jsou dány především tím, že moderní kotle bezpodmínečně vyžadují beznapěťové (spínací) výstupy, a to jak pro spínání kotle, tak pro spínání dvojstupňové regulace výkonu. Úpravy jsou zakresleny v novém osazováku osaz_silova_v2.png.

• Ekvitemní - Max. stř. teplota (70)
  Tato teplota udává maximální teplotu, kterou může regulátor topit. Algoritmus jejího výpoču je poměrně složitý, pro nastavení tohoto parametru je důležité, aby kotel byl schopný topit na "Max. stř. teplota" plus "Rozsah od stř. teploty", aniž by došlo k vypnutí termostatu kotle nebo dokonce reakci havarijního termostatu.
• Ekvitemní - Rozsah od stř. teploty (2)
  Kotel bude topit na vypočtenou teplotu plus mínus "Rozsah od stř. teploty", parametr je svým způsobem podobný s "Horní/dolní teplota kotle". Změnou tohoto parametru lze docílit ovlivnění cyklování kotle. Pokud bude hodnota příliš nízká, bude kotel často spínat (cyklus bude krátký), pokud vysoká, bude docházet ke kolísání teploty a dalším nepříjemnostem (např. lupáním rozpínajícího se potrubí).
• Ekvitemní - Dolní/horní poměr výkonu (30/70)
  Poměry pro přepínání výkonu kotle. První zatopení probíhá vždy na vyšší výkon. Po každém cyklu se spočítá procentuální poměr běhu kotle (kolik procent doby běžel v cyklu). Pokud je modulátor zapnutý a poměr je nižší než "Dolní poměr výkonu", bude v dalším cyklu modulátor vypnutý. Opačně je-li modulátor vypnutý, ale běh kotle překročí "Horní poměr výkonu", bude v dalším cyklu modulátor zapnutý. Modulátorem je myšleno zařízení, ovlivňující výkon kotle (zapnutý modulátor = vyšší výkon). Pozn.: Měření procentuální doby běhu je značně nepřesné kvůli použitému algoritmu, na přepínání kotle ale přibližná hodnota stačí.
• Ekvitemní - Dolní/horní konst. posunu (20/70)
  Tyto konstanty se používají pro výpočet absoluního posunu z relativních hodnot uváděných v tabulce časových režimů. Pokud je procentuální pokles záporný, vezme se aktuální ekvitermní teplota mínus "Horní konstatna posunu" a vynásobí se procentuální hodnotou poklesu. Systém potom topí na teplotu o výsledek nižší. Pokud je procentuální zesílení kladné, je výpočet podobný, pouze se využívá "Dolní konstanta posunu".
• Termostatová - Dolní/horní teplota kotle (50/60)
  Teploty, mezi nimiž bude kotel cyklovat při zapnutém topení na termostatovou regulaci. Např. při nastavení 50/60 bude kotel topit, dokud nedosáhne 60°C, pak se vypne, po poklesu na 50°C se opět zapne atd. až do vypnutí topení podle informace z čidla v místnosti.
• Informace - Počet spuštění
  Počítá spuštění regulátoru. Hodnotu lze vynulovat křížkem. Prakticky by se téměř neměla měnit (regulátor běží stále), pouze při výpadcích elektřiny.
• Informace - Celk. doba běhu kotle
  Udává celkovou dobu hoření kotle, počítanou podle doby sepnutí relé kotle. Nerozlišuje nízký a vysoký výkon. Hodnota bude nesprávná, pokud bude relé kotle sepnuto, ale kotel z libovolného důvodu vypnutý (nízká teplota na termostatu kotle, havarijní stav).