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).
Рисунок 4 – Интерфейс программы управления комбинированной системы энергоснабжения (вкладка «Дом», Этаж 1)
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
- Умный дом от Domintell. Краткое описание. [Электронный ресурс].URL: http://hi-tech-house.com/smart-home//.
- Product Manual - XBee - XBee-PRO ZB OEM RF Modules. Сайт www.digi.com.
- Промышленное теплоснабжение. Виноградов Ю. И., Векштейн Л. М., Соболь И. Д. “Технiка”, 1975. - 256 с.
- Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. // Учебное пособие для вузов. – 2-е издание, переработанное и дополненное. – М.: Энергия, 1980 – 424 с.
- National Instruments. Учебный курс Lab View основы 1.- Май 2003г.
- Руководство по использованию ПО LabVIEW Interface for Arduino (LIFA). [Электронный ресурс]. URL: http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/ru/ nid/209835