Разработка беспроводной системы автоматического управления энергоснабжением жилого помещения 

Разработана беспроводная система автоматического управления комбинированной системой энергоснабжения жилого помещения на базе возобновляемых источников энергии. Использованы беспроводные модули и контроллер компании ХВee, ПО LabView. 

Умный дом или умный офис представляет собой автоматизированную систему управления, предназначенную для контроля и управления освещением, отоплением, вентиляцией, водоснабжением, безопасностью, аудио/видео аппаратурой и другими инженерными системами дома. Систему можно настраивать и модифицировать по желанию хозяина. Современные системы управления умными домами являются проводными системами [1].

Целью данной работы является разработка и  исследование беспроводной системы автоматического управления комбинированной системы энергоснабжения жилого помещения на базе возобновляемых источников энергии в среде графического программирования LabVIEW.

При выборе беспроводной сенсорной технологии для сетей промышленного применения необходимо учитывать:

  • скорость передачи данных на полевом уровне;
  • наличие возможности использования автономных источников электропитания большой емкости;
  • топологию построения радиосети, обеспечивающую избыточность связей, а также возможность самоорганизации сети, что позволит повысить надежность радиосети, а также упростит ввод в действие конечных объектов. В соответствии с данными требованиями была выбрана беспроводная технология ZigBee – открытый стандарт беспроводной связи, отличающийся низким энергопотреблением и предназначенный для систем многоканального управления.

Беспроводная САУ (БСАУ) микроклиматом дома включает в себя группу беспроводных сенсоров и блок управления, необходимый для регулирования температуры в доме за счет управления теплоснабжением.

Принцип работы БСАУ основан на алгоритмах централизованного управления   сетью,   включающих:   сбор   информации   о   топологии  сети, динамическое   изменение   ролей   устройств   и   установку   оптимального расписания передачи информации.

Разработанная в работе принципиальная электрическая схема подключения беспроводных модулей, используемых в двух режимах, с сенсорами и контроллером приведена на рисунке 1.

      

Рисунок 1 – Принципиальная электрическая схема соединений беспроводных модулей с контроллером и сенсорами

 Использованные в БСАУ беспроводные модули Xbee функционируют в двух режимах: АТ-режим (прозрачный) и API-режим [2]. Таким образом, учитывая режимы работы беспроводных модулей, было решено использовать две сети передачи данных:

  • Ячеистая топология сети для сбора потоков данных в API.
  • Сеть «точка-точка» для управления трехходовым клапаном с помощью котроллера Arduino. Сеть «точка-точка» состоит из одного координатора и роутера, соединенного с контроллером. В зависимости от значения температуры, контроллер выдает управляющий сигнал на регулирующий трехходовой клапан смешения.

Так как жилой дом имеет 7 комнат, расположенных на двух этажах, микроклиматом которых необходимо управлять, то  количество беспроводных модулей составит 11: из них 8 конечных устройств (7 – для получения данных о температуре в комнатах, 1 – для получения метеорологических данных об окружающей среде), 2 маршрутизатора и 1 координатор сети.

Как описано выше, объектом управления системы теплоснабжения дома является   ТГУ,   а   именно   работа   входящих   в   состав   ТГУ     двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и тепловых насосов. Для запуска ДВС требуется традиционное топливо, уменьшение расхода которого является актуальной задачей.

Задача сокращения расхода топлива и выбросов выхлопных газов приводит к задаче оптимального управления ДВС и тепловыми насосами, которая состоит в определении необходимой степени загруженности (времени работы) ДВС и тепловых насосов для обеспечения необходимого теплоснабжения дома и при этом минимального расхода  топливных ресурсов.

Максимальный расход теплоты Qот, Вт, на отопление зданий с помощью тепловых характеристик здания определяют по формуле:

Коэффициенты Сi  целевой функции были рассчитаны по таблицам 2.1  и .[3] и равны соответственно С1 = 0,13, С2 и С3 = 0,15.

Для решения задачи оптимального управления используется алгебра симплекс-метода, которая заключается в определении базисного решения целевой функции, после чего проверяется, не достигнет ли максимума или минимума целевая функция.

Решение поставленной задачи, позволяющее достичь цели оптимального управления ДВС и тепловыми насосами, в дальнейшем применяется в разработанном программном обеспечении.

КСЭ имеет два режима управления, в зависимости от температуры окружающей среды и календарной даты «летний режим» и «зимний (отопительный сезон) режим». Алгоритм выбора режима энергоснабжения приведен на рисунке 2.

В соответствии с различными режимами работы ТГУ системы теплоснабжения контролируется температура жилого помещения, температура баков аккумуляторов для горячего водоснабжения и СО, а также выполняется мониторинг температур геоколекторов. Происходит управление подачей  топлива  на  ДВС  в  соответствии  с  режимами  теплоснабжения   в «зимнем режиме», алгоритм которого представлен на рисунке 3.       

Рисунок 2 – Алгоритм выбора режима энергоснабжения

Рисунок 3 – Алгоритм работы режима «Зимний»

Разработанный интерфейс программы управления комбинированной системы  энергоснабжения  дома,  представлен   на  рисунке   4.  В    элементе

«Погодные условия» отображаются метеорологические данные окружающей среды дома, которые в дальнейшем необходимы для управления энергоснабжением дома. В элементе «Режим системы энергоснабжения» представляется текущий режим энергоснабжения (летний или зимний). Пользователь также в любой момент времени на данном интерфейсе может увидеть используемые источники энергии.

Разработанный интерфейс имеет 4 вкладки, которые расположены слева на рисунке 4:

  • дом;
  • ГВС и система отопления;
  • система электроснабжения;
  • схема теплоснабжения.

Во вкладке «Дом» представлена беспроводная система управления климат контролем комнат с помощью модулей Xbee и контроллера Arduino, соединенных согласно принципиальной схеме рисунка 1.  Для взаимодействия и обработки в среде графического программирования LabVIEW с аппаратно-вычислительной платформой Arduino, разработчиками компании Natinonal Instruments было создано приложение LabVIEW Interface for Arduino (LIFA), которое использовалось в разработанном ПО [5,6].

Интерфейс вкладки «ГВС и система отопления» приведен на рисунке 5 и включает в себя: ТГУ – система теплоснабжения; Солнечные  коллектора (СК) – система горячего водоснабжения; Геоколлектора – мониторинг температур геоколлекторов.

«Солнечный коллектор» (рисунок 5) представляет собой интерфейс работы системы горячего водоснабжения дома, состоящего из СК, теплового насоса и ТГУ. В качестве теплоносителя, протекающего в солнечном коллекторе, был выбран пропиленгликоль за счет своей стойкости к термическим нагрузкам.

Принцип работы системы ГВС заключается в том, что нагретый солнечной радиацией теплоноситель под действием циркуляционного насоса, выходит из солнечного коллектора, где замеряется его температура. Далее нагретый теплоноситель передается по трубам в теплообменник  и отдает свое тепло воде в баке – аккумуляторе для дальнейшего ГВС.

При температуре теплоносителя Т64 выше 550С включается режим прямой подачи тепла от солнечных коллекторов (рисунок 5).

 Интерфейс программы управления комбинированной системы энергоснабжения (вкладка «Дом», Этаж 1)

Рисунок 4 – Интерфейс программы управления комбинированной системы энергоснабжения (вкладка «Дом», Этаж 1)

 Интерфейс программы управления комбинированной системы энергоснабжения (вкладки «ГВС и система отопления», солнечный коллектор»)

Рисунок 5 – Интерфейс программы управления комбинированной системы энергоснабжения (вкладки «ГВС и система отопления», солнечный коллектор») 

Результаты работы заключаются в следующем:

  • предложена беспроводная система автоматического управления микроклиматом комнат на базе беспроводных модулей Xbee и контроллера Arduino;
  • предложена комбинированная система энергоснабжения жилого дома на базе ВИЭ и беспроводных технологий, определены оптимальные режимы управления теплом, ГВС и электроснабжением;
  • разработаны алгоритмы и приложение для управления и контроля всей системой энергоснабжения в среде графического программирования LabVIEW. 

Заключение

Предложенная беспроводная система управления комбинированной системой энергоснабжения жилого помещения позволит в отличие от традиционной проводной, многократно снизить затраты на монтажные работы и материалы, повысит устойчивость и надежность системы от непредвиденных обстоятельств (в случае выхода из строя одного из беспроводных  модулей  система  будет  дальше  функционировать,  за счет способности самоконфигурации беспроводной сети), а также существует возможность расширения системы энергоснабжения в случае необходимости. Применение беспроводных технологий в КСЭ является перспективным направлением,   которое   позволит   многократно   снизить   финансовые   и временные затраты на установку системы.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

  1. Умный дом от Domintell. Краткое описание. [Электронный ресурс].URL: http://hi-tech-house.com/smart-home//.
  2. Product  Manual  -  XBee  -  XBee-PRO  ZB  OEM  RF  Modules.     Сайт www.digi.com.
  3. Промышленное теплоснабжение. Виноградов Ю. И., Векштейн Л. М., Соболь И. Д. “Технiка”, 1975. - 256 с.
  4. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. // Учебное пособие для вузов. – 2-е издание, переработанное и дополненное. – М.: Энергия, 1980 – 424 с.
  5. National Instruments. Учебный курс Lab View основы 1.- Май 2003г.
  6. Руководство по использованию ПО LabVIEW Interface for Arduino (LIFA). [Электронный ресурс]. URL: http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/ru/ nid/209835
Фамилия автора: М.В. Ибрагимова, С.Г. Хан
Год: 2015
Город: Алматы
Яндекс.Метрика