Zdalne sterowanie ogrzewaniem budynku cz.1 - opis systemu, charakterystyka sterownika GSM

Prąd jest tańszy w godzinach nocnych, dwie godziny w ciągu dnia (od 13.00 do 15.00), a także w weekendy. Założenia były następujące:

• czuwanie systemu, aby w czasie mrozów utrzymać temperaturę dodatnią w pomieszczeniach, gdzie doprowadzona jest woda (kuchnia, łazienka, piwniczka).
• możliwość zdalnego włączenia ogrzewania, w celu wstępnego nagrzania przed przyjazdem, możliwość włączenia oświetlenia posesji, odczytu temperatury, informacja SMS-em o alarmie.

Podstawowym celem ogrzewania elektrycznego jest utrzymanie temperatury ponadzamrożeniowej w pomieszczeniach, w których znajduje się woda. Nad tym zadaniem powinny czuwać oddzielne termostaty. O fazach taniego/ drogiego prądu ma informować własny zegar, zsynchronizowany z zegarem taurona wbudowanym w licznik energii elektrycznej. Należy też przewidzieć sterowany zdalnie i lokalnie bypass zegara – podczas dużych mrozów, kiedy istnieje obawa, że grzanie w okresach taniej taryfy może być niewystarczające.

Sercem systemu zdalnego sterowania ma być sterownik GSM AVT3065. Całą elektronikę należy zabudować w przedsionku (wiatrołapie) w pobliżu skrzynki bezpieczników. System powinien mieć także możliwość sterowania ręcznego, by podczas obecności nie trzeba było wysyłać SMS-ów. System powinien stwarzać możliwość zdalnego odczytu temperatury, oddzielnie w każdym z pomieszczeń.

Wykonano „dwupoziomowy” system alarmowy. Wejście do przedsionka „zidentyfikowane” jest oddzielną czujką ruchu, której zadziałanie wysyła „cichy SMS”. W przedsionku znajduje się też klawiatura do wprowadzenia kodu alarmu. Jeśli czynność ta nie zostanie wykonana w założonym czasie (np. 1 lub 2 minut), system alarmowy uruchamia syrenę alarmową, a sterownik GSM wysyła drugiego SMS-a.

Charakterystyka sterownika GSM - zdalne sterowanie ogrzewaniem budynku

Jak wspomniano, podstawą jest sterownik autorstwa p. Radosława Krawczyka (AVT3065). Do pełnego opisu odsyłam do EdW nr 8/2013.

Sterownik GSM - z dwunastu wyjść cyfrowych wykorzystano 5:

1. bypass zegara,
2. włącz grzejniki na górze (na piętrze),
3. włącz grzejnik nad garażem,
4. włącz grzejniki na dole (hol + aneks kuchenny),
5. włącz oświetlenie posesji.

Po wykonaniu polecenia zmiany stanu choć jednego wyjścia cyfrowego sterownik odsyła SMS-a z pełnym kompletem stanów wszystkich wyjść cyfrowych. Po zaniku napięcia zasilania zeruje wszystkie wyjścia cyfrowe oraz na „główny telefon” posyła informację o tym fakcie.

Sterownik GSM - z dwunastu wejść cyfrowych wykorzystano 3:

1. informacja o napięciu za zegarem,
2. o napięciu na grzejnikach głównych (na dole – parter)
3. oraz o stanie termostatu głównego.

Tu należy dodać że za zegarem i na grzejniku sprawdzane jest faktyczne napięcie 230VAC.

Z ośmiu wejść analogowych wykorzystano cztery do pomiaru temperatury w czterech punktach budynku.

Sterownik AVT3065 wyposażony jest w dwa wyjścia PWM. W omawianym systemie nie znaleziono dla nich zastosowania, wykorzystano natomiast obydwa wejścia alarmowe.

W pomieszczeniu głównym nr 1 (parter = hol + aneks kuchenny) znajdują się dwa grzejniki zrównoleglone (tj. dla systemu widziane jako jeden) oraz 3 sondy temperatury. Jedna sonda jest sondą regulacyjną głównego termostatu, który zamontowany jest w przedsionku wraz z resztą obwodów elektroniki. Dwie dodatkowe sondy pozwalają na odczyt temperatury w pobliżu części kuchennej i pomieszczenia – holu.

W pokoikach (u góry – piętro) zamontowano po jednym grzejniku, lecz zrównoleglone widziane są dla systemu jako jeden. W jednym z tych pokoi zamontowano jedną sondę temperatury (informacyjną).

W pokoju (nad garażem) nie ma także wody. Tu zamontowano jeden grzejnik i jedną sondę (informacyjną).

W łazience na dole znajduje się grzejnik z autonomicznym termostatem (temperatury wody/płynu w grzejniku). System GSM nie potrafi go ani włączyć, ani odczytać temperatury. Nadzór systemu nad grzejnikiem łazienkowym jest ograniczony do informacji, kiedy jest tani/drogi prąd. Nie ma potrzeby ustawiania i odczytu temperatury w łazience. Natomiast bardzo ważne jest, aby woda nie zamarzła i aby dogrzewanie w miarę możliwości wykonać w okresach taniego prądu. Potrzeby i wymogi dla toalety na piętrze są takie same jak dla łazienki na dole. Także te same wymagania, a nawet słabsze oczekiwania od systemu są względem pomieszczenia-piwniczki. Byle tylko woda nie zamarzła. I najlepiej, aby wystarczyło dogrzewanie tanim prądem.

Opis systemu - zdalne sterowanie ogrzewaniem budynku

Schemat systemu podzielono na kilka części. Grzejniki włączane są stycznikami o dużej obciążalności prądowej i obwody wykonawcze styczników pokazano na rysunku 1. Na fotografii 1 widzimy realizację tych obwodów.

Rys.1 Grzejniki włączane stycznikami o dużej obciążalności prądowej i obwody wykonawcze styczników - schemat

Do budynku doprowadzone są 3 fazy energii elektrycznej. Grzejniki przydzielono poszczególnym fazom tak, aby uzyskać mniej więcej równomierne obciążenie wszystkich faz. Stycznik ST1 włącza dwa jednokilowatowe grzejniki w parterowej części budynku. Stycznik ST2 włącza dwa grzejniki o tej samej mocy w małych pokojach na piętrze. ST3 – jednokilowatowy grzejnik w pokoju nad garażem.

Stycznik ST4 nie włącza bezpośrednio grzejników. Doprowadza prąd (fazy T) do wydzielonego gniazdka w piwniczce, do łazienki na dole i do toalety na piętrze. A tam włączeniem grzejników sterują lokalne termostaty.

Ważny jest staranny wybór miejsca zamontowania czujników temperatury. Każdy z grzejników jest fabrycznie wyposażony w swój termostat. Grzejniki łazienkowe mierzą tylko własną temperaturę, a nie temperaturę otoczenia. Grzejniki zastosowane w pomieszczeniach (mieszkalnych) mają swój termostat z sondą wyprowadzoną pod grzejnikiem, co w zamierzeniu pozwala stabilizować temperaturę w pomieszczeniu. Jednak praktycznie te lokalne termostaty są nie do wykorzystania. Mogą one stanowić jedynie zabezpieczenie (od góry) temperatury, do której chcemy dogrzać pomieszczenie elektrycznie. Ma sens nastawa w okolicy 15°C, jeśli dojdziemy do wniosku, że szkoda prądu, aby dogrzewać mocniej, a po przyjeździe jesteśmy i tak zdecydowani zapalić ogień w kominku.

Fot.1 Realizacja obwodów z Rys.1

Nieco inaczej ta kalkulacja wygląda względem dogrzewania łazienek i piwniczki. Tu chodzi jedynie o to, aby woda nie zamarzła w czasie mrozów. Należy utrzymywać temperaturę jak najniższą, aby jednak nigdy nie spadła poniżej zera. Optymalizacja nie jest łatwa. Zasadniczo chcemy włączać grzejniki tylko w czasie taniej taryfy prądu. Ale podczas silnych mrozów, przedział czasu, kiedy prąd jest drogi (od 6.00 do 13.00 to 7 godzin i od 15.00 do 22.00 to także 7 godzin), może okazać się zbyt długi, gdy nastawimy zbyt niską temperaturę lokalnego termostatu (pomieszczenia) i/lub zbyt niską moc grzejnika poprzez „oszczędną” nastawę jego własnego termostatu.

Czy zatem korzystniej jest kazać grzejnikowi grzać także w godzinach, gdy prąd jest drogi, czy z większym zapasem ustawić temperaturę przeciwzamrożeniową? To funkcja trudna do wyliczenia, zależna głównie od bezwładności cieplnej danego budynku.

Prosiłoby się o możliwość odczytu temperatury w łazienkach i w piwniczce, aby podjąć decyzję, czy zdalnie włączać grzanie także podczas drogiej taryfy.

W wykonanym przez autora systemie trzeba było zrezygnować z tej cennej informacji ze względu na trudności wykonania dodatkowego okablowania. Ponadto można przytoczyć argument że „przeciwzamrożeniowo” system powinien reagować bez ingerencji człowieka. Wykonany system zdał egzamin już drugą zimę. Autor ustawia lokalne termostaty nisko, między +2 a +3°C. Moc grzejników łazienkowych to jedynie 500W, a w piwniczce 1kW. Ich lokalne termostaty nastawiono tak, że nawet w temperaturze bliskiej 0°C, współczynnik wypełnienia pracy tych grzejników wynosi ok. 50% i nieco więcej w dolnej łazience. Silne mrozy występują u nas bardzo rzadko – wtedy wysyłam rozkaz (SMS) nakazujący zbocznikowanie zegara systemowego.

Rys.2 Zdalne ogrzewanie budynku - logika sterowania cewek styczników 

Wracamy do rysunku 1, czyli do części wysokoenergetycznej systemu. Logika sterowania cewek styczników pokazana jest na rysunku 2. Bardzo istotnym punktem systemu jest napięcie za zegarem – punkt A. Zastosowano programowalny zegar jednokanałowy PCZ-521.3. Zegar ten ma szerokie możliwości programowania. Wie, kiedy przełączyć się z czasu letniego na zimowy i odwrotnie. Ma także możliwość wprowadzenia korekty „śpieszenia/spóźniania”, co jest istotne, gdyż należy go zsynchronizować przede wszystkim z zegarem w liczniku energii elektrycznej.

Napięcie w punkcie A występuje, gdy spełniony jest jeden z 3 warunków:

• gdy zegar wyznaczy czas taniej taryfy prądu (włączy styk przekaźnika w zegarze oznaczony na rysunku 2 – WZ),
• gdy wysłano zdalny rozkaz zbocznikowania zegara (styk przekaźnika BZ) 
• gdy ten sam rozkaz wykonano przełącznikiem na tablicy rozdzielczej (styki przełącznika H1).

Obecność napięcia w punkcie A sygnalizowana jest diodą LED na tablicy rozdzielczej i można ją także odczytać jako zwrotny SMS stanu wejść cyfrowych (podobnie jak napięcie w punkcie T, o czym dalej). Należy podkreślić, że w jednym i drugim przypadku kontrolowane jest faktyczne napięcie 230VAC nie cyfrowy sygnał pośredni.

Obecność napięcia w punkcie A to jedyny warunek włączenia stycznika ST4. Stycznik ST1 włącza grzejniki w głównym pomieszczeniu budynku (hol – aneks kuchenny). Tu znajduje się woda i pomieszczenie jest mieszkalne. Zatem musi być możliwość włączenia na żądanie i automatem-termostatem. I znów, najlepiej wtedy, gdy jest tani prąd. Ten warunek realizuje połączenie styków wykonawczego przekaźnika termostatu między p. A i cewkę C-ST1 (styki głównego termostatu na rysunku 2 oznaczono WT), a także dołączone równolegle styki wykonawczego przekaźnika sterowanego jednym kanałem wyjścia cyfrowego sterownika GSM (relay, którego styki na rysunku 2 oznaczone są GD).

Potrzebna jest także możliwość ręcznego włączenia tych grzejników. Można to zrobić, montując zrównoleglony przełącznik na tablicy rozdzielczej. Tę funkcję wykonano jednak inaczej. Na tablicy rozdzielczej znajduje się termostat główny, choć jego sonda jest daleko (w okolicy aneksu kuchennego). Pociągnięcie przewodu nie stanowiło problemu, bo i tak trzeba było (pod podłogą) położyć przewody energetyczne.

Zastosowany termostat wyposażony jest w wyłącznik zasilania, który tutaj jest zbędny. Zmieniono zatem rolę istniejącego przełącznika w termostacie, łącząc go w szereg z sondą regulacyjną (nazwano ją tak, w odróżnieniu od takich samych sond informacyjnych, pozwalających odczytać temperaturę). Czujnikiem jest termistor NTC. Działanie termostatu polega na porównaniu napięcia z dzielnika rezystancyjnego zawierającego termistor z napięciem z potencjometru (i poprawnym skalibrowaniu).

Gdy termistor odłączymy, logika termostatu uznaje, że jest bardzo niska temperatura i włącza swoje styki wykonawcze. W ten prosty sposób zmieniła się rola istniejącego przełącznika. Należy go teraz odpowiednio opisać, bo „włączony” to stan 0 (styki rozwarte), a wyłączony to stan 1 (styki zwarte). Przełącznik ten na rysunku 2 oznaczono H4 i jedynie w symboliczny sposób pokazano, iż mieści się on w obudowie (wewnątrz) termostatu głównego. Tak samo, w uproszczony sposób pokazano, że zasilanie termostatu głównego (jego wewnętrznej elektroniki) pobrano zza zegara, czyli z punktu A. Gdy w tym miejscu nie ma napięcia, stycznik ST1 i tak nie może być włączony, zatem zasilanie obwodów termostatu jest niepotrzebne.

Nieco prostsze są obwody sterowania styczników ST2 i ST3. W pomieszczeniach obsługiwanych tymi stycznikami nie ma wody, dlatego nie muszą ich nadzorować żadne termostaty. Nadal jednak, chcąc dogrzać te pomieszczenia, najlepiej zrobić to w czasie taniej taryfy prądu. Cewki C-ST2 i C-ST3 zasilane są z p. A pod dodatkowym warunkiem włączenia zdalnego lub ręcznego. Odpowiednio, jednego z wolnych portów wyjść cyfrowych sterownika GSM lub przydzielonego wyłącznika na tablicy rozdzielczej (na rysunku 2 to przekaźniki REL2 i REL3 i przełączniki ręczne oznaczone H2 i H3).

Na rysunku 3 wyodrębniono obwody sterowania zdalnego i ręcznego sprzęgające sterownik GSM z omówioną do tej pory logiką i połączenie diod LED stanowiących wskazanie na tablicy rozdzielczej. Rysunek 3 jest uzupełnieniem rysunku 2, na którym w sposób symboliczny narysowano także zegar i jego styki wykonawcze. Zasilanie zegara pobrano z fazy R za bezpiecznikiem (Fuse-R), czyli z punktu R’ (wszystko oczywiście względem neutralnego przewodu energetycznego; masa gorąca oznaczona jest N – Neutral).

Rys.3 Obwody sterowania zdalnego i ręcznego sprzęgające sterownik GSM z  logiką i połączenie diod LED

Na rysunku 3 widzimy prosty obwód sprzęgający wyjście cyfrowe modułu GSM z przekaźnikiem. Obwód ten powtórzony jest czterokrotnie (i piąty raz w realizacji dodatkowej funkcji włączania oświetlenia zewnętrznego). Wyjście modułu aktywne jest stanem niskim i jest to wyjście „kolektorowe” o obciążalności do 100mA. Między modułem a przekaźnikiem zastosowano prosty obwód z tranzystorem pnp.

Należy pamiętać o diodzie antyrównoległej do cewki przekaźnika, jej brak grozi uszkodzeniem tranzystora (z indukcyjności cewki). Z kolektora tranzystorów pnp pobrana jest także informacja dla wskaźnika – diody LED na tablicy rozdzielczej. Zatem świecenie diody nie oznacza – „włączenie funkcji”, ale – „włączenie funkcji zdalnie”. Jeśli mamy „włączenie funkcji – ręcznie”, to widzimy to po położeniu przełącznika na tablicy. Widok płytki z obwodami logiki systemu pokazuje fotografia 2.

Fot.2 Płytka z obwodami logiki systemu - zdalne sterowanie ogrzewaniem budynku

W drugiej części artykułu omówimy obwody sprzęgające sterownik GSM z układami wykonawczymi.