ТЕПЛОВОЙ КОНТРОЛЛЕР С УНИВЕРСАЛЬНЫМ МОДУЛЕМ ВХОДА ЦИФРОВЫХ ШИН ОТОПИТЕЛЬНЫХ КОТЛОВ

Область техники
Полезная модель относится к области автоматизации систем управления технологическими процессами в части систем программного управления, а именно к программируемым тепловым контроллерам, и предназначена для управления теплоснабжением зданий и помещений, оборудованных отопительными котлами с цифровыми шинами управления по цифровым протоколам, например OpenTherm, E-BUS, Navien, LPB либо любыми котлами в режиме комнатного термостата через релейный выход.
Уровень техники
Запрос на современные, экономичные и энергоэффективные системы теплоснабжения привел к развитию рынка программируемых тепловых (по-другому, отопительных или терморегуляторных) контроллеров. Техническое развитие тепловых контроллеров идет одновременно с техническим развитием котлов отопления, которые являются центральным объектом системы управления теплоснабжением. Большинство крупных производителей котлов используют для управления и передачи данных цифровые шины с протоколами обмена OpenTherm, E-BUS, Navien, LPB. Достоинством данных протоколов является не только плавное регулирование мощности котла, но и возможность удаленной диагностики технического состояния - его текущих рабочих параметров, наличия ошибок, аварий. Естественно, производители тепловых контроллеров также используют данные протоколы и добавляют их в функционал своих изделий. Технически реализуется это либо посредством встроенных портов под конкретный тип протокола, либо через использование адаптеров или переходников на собственных или сторонних шинах передачи.
Известны способ и система контроллера котла для отопительного котла (заявка на изобретение США №20100280665, опубл. 04.11.2010, МПК F24H 9/20, G05B 15/00), в которых контроллер котла содержит компонент контроля датчика, функционально соединенный с датчиком температуры, работающим для измерения температуры среды внутри котла, и датчиком давления, работающим для измерения давления среды. Контроллер котла также содержит контроллер горелки, соединенный с горелкой. Контроллер горелки может управлять горелкой для нагрева котла на основе температуры среды, измеренной датчиком температуры, по сравнению с диапазоном заданных значений температуры и результатами расчета энергоэффективности.
Существенным недостатком данного решения является ограниченность в выборе отопительных котлов, поскольку контроллер работает только по одному протоколу управления.
Известно устройство ectoControl 3.2 – система дистанционного мониторинга и управления, производитель ООО «ЭКТОСТРОЙ», https://ectostroy.ru/systems/otoplenie. Данный программируемый контроллер включает в себя микроконтроллер; модуль беспроводной связи (GSM/Wi-Fi) для настройки контроллера и передачи данных через Web-интерфейс и мобильное приложение смартфона; модуль радиосети дополнительных устройств для подключения беспроводных датчиков; модуль проводных датчиков (электронные температурные / сухой контакт / токовая петля); модуль реле управления; интерфейс RS-485 для подключения дополнительных модулей по протоколу Modbus RTU. Управление котлом отопления по цифровой шине возможно только посредством подключения дополнительного модуля к интерфейсу RS-485.
Недостатком такой реализации на данном устройстве является сложная система настройки дополнительных модулей и основного контроллера через программирование, соблюдение контроля полярности при подключении к интерфейсу RS-485 и настройка параметров связи по протоколу Modbus, что предъявляет высокие требования к квалификации наладчика, а также значительно увеличивает время пусконаладки. Существенным недостатком также является ограниченность в выборе оборудования (отопительных котлов), поскольку данный контроллер в настоящий момент работает только с двумя модулями цифровых шин для протоколов E-Bus и OpenTherm. Кроме того, дополнительные модули приводят к удорожанию всей системы регулирования в целом, в т.ч. за счет трудозатрат на монтаж. Дополнительным недостатком является возрастающая сложность общей системы управления, за счет появления дополнительных устройств (модулей), проводов и контактов, что неизбежно влечет за собой увеличенный риск возникновения неисправностей (потеря электрического контакта, переотражение сигнала, пропущенные пакеты данных, “зависание” устройств).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является устройство ZONT SMART 2.0 производства ООО «Микро Лайн», представляющее собой программируемый отопительный контроллер, предназначенный для автоматизации и управления работы системы отопления (https://zont-online.ru/ftpgetfile.php?id=250&module=files, ТУ 4211-001-06100300-2017). Данный контроллер включает в себя микроконтроллер; модуль беспроводной связи (GSM/Wi-Fi) для настройки контроллера и передачи данных через Web-интерфейс и мобильное приложение смартфона; универсальные входы/выходы (в зависимости от выбранной настройки могут быть использованы как аналоговый вход или как выход типа открытый коллектор); интерфейс проводных электронных датчиков 1-Wire; интерфейс K-Line для обмена данными с оригинальными цифровыми устройствами ZONT; модуль радиосети дополнительных устройств для подключения внешних радиомодулей; релейный выход. Для управления котлом по цифровой шине используются адаптеры на интерфейсе K-Line, которые выступают шлюзом между шиной котла и цифровой шиной K-Line.
К недостаткам такого решения относятся: использование адаптеров, проводов и лишних контактов, что увеличивает вероятность поломки или отказа системы в общем, необходимость дополнительной настройки контроллера для указания и конфигурирования адаптера, увеличивающей время пусконаладки, а также дополнительные затраты на приобретение и монтаж адаптеров.
Задачей данного решения является расширение функциональных возможностей теплового контроллера – создание унифицированного решения для работы с любым типом протоколов передачи по цифровой шине, а также минимизация трудозатрат и исключение ошибок при монтаже, настройке и пусконаладке.
Техническим результатом, достигаемым реализацией данного решения, является универсальность, исключающая ошибки при выборе, монтаже и настройке оборудования, снижение временных затрат на подключение и пусконаладку, снижение требований к квалификации исполнителей, а также повышение общей надежности системы управления за счет исключения в системе дополнительных внешних модулей, адаптеров, переходников и лишних контактов.
Технический результат достигается тем, что тепловой контроллер с универсальным модулем входа цифровых шин отопительных котлов содержит микроконтроллер верхнего уровня, интерфейс 1-Wire для подключения проводных цифровых датчиков температуры, GSM/Wi-Fi-модуль для настройки контроллера и передачи данных, и дополнительно оснащен универсальным модулем входа цифровых шин отопительных котлов, включающим порт для подключения котла, блок контроля полярности подключения, блок коммутации сигналов цифровых шин, модули формирования выходного сигнала цифровых шин, преобразователи входного сигнала цифровых шин, микроконтроллер нижнего уровня, который соединен шиной с микроконтроллером верхнего уровня, и релейный выход для управления котлом в режиме комнатного термостата.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
Фиг. 1. Функциональная схема универсального модуля входа цифровых шин.
.
Фиг. 2а. Блок-схема алгоритма работы универсального модуля входа цифровых шин (начало)
Фиг. 2б. Блок-схема алгоритма работы универсального модуля входа цифровых шин (продолжение).
Предлагаемый тепловой контроллер содержит микроконтроллер верхнего уровня для управления отопительными котлами, интерфейс 1-Wire для подключения проводных цифровых датчиков температуры, GSM/Wi-Fi-модуль для настройки контроллера и передачи данных через Web-интерфейс и мобильное приложение смартфона для ввода и вывода информации, и универсальный модуль входа цифровых шин для подключения котла по цифровой шине.
Универсальный модуль входа цифровых шин (Фиг.1) содержит порт для подключения котла (1), блок контроля полярности подключения (2), блок коммутации сигналов (3) цифровых шин, модули формирования выходного сигнала (4.1-4.4) цифровых шин, преобразователи входного сигнала (5.1-5.4) цифровых шин, микроконтроллер нижнего уровня (6), который соединен шиной с микроконтроллером верхнего уровня, а также релейный выход (7) для управления котлом в режиме комнатного термостата. Релейный выход (7) предназначен для управления котлами, у которых нет цифровых интерфейсов.
Микроконтроллер нижнего уровня (6) содержит внутреннюю энергонезависимую память с библиотекой управления по цифровой шине по установленному алгоритму (Фиг. 2а и Фиг. 2б). Микроконтроллер нижнего уровня (6) выполнен с возможностью поиска и определения цифровой шины, отправки команды опроса к котлу, проверки ответного сигнала от котла и сохранения настроек в памяти. Микроконтроллер нижнего уровня (6) выполнен с возможностью обновления через сеть текущих поддерживаемых цифровых протоколов, а также обновления для расширения списка поддерживаемых цифровых протоколов.
Микроконтроллер нижнего уровня (6) отправляет команды опроса по цифровой шине на модуль формирования сигнала (4.1-4.4) по цифровой шине.
Модуль формирования сигнала (4.1-4.4) по цифровой шине  выполняет функцию усиления сигнала в соответствии с физическим уровнем протокола котла по цифровой шине и передает усиленный сигнал в блок коммутации сигналов (3).
Блок коммутации сигналов (3) осуществляет переключение сигнала и его передачу на блок контроля полярности подключения (2).
Блок контроля полярности подключения (2) представляет собой двухполупериодный выпрямитель, защищающий от неправильной полярности подключения по входу и тем самым позволяющий устранить риски выхода из строя силовых элементов платы и снизить временные затраты на настройку при подключении.
Порт для подключения котла (1) представляет собой единый двухполюсный порт для подключения по цифровому протоколу, например OpenTherm, E-BUS, Navien или LPB. Порт для подключения котла (1) передает сигнал (команду опроса) от блока контроля полярности подключения (2) к котлу, принимает ответный сигнал от котла и далее передает его преобразователю входного сигнала (5.1-5.4) цифровых шин через блок контроля полярности подключения (2).
Преобразователь входного сигнала (5.1-5.4) цифровых шин преобразует сигнал и пересылает его на вход микроконтроллера нижнего уровня (6), где производится проверка на корректность и соответствие полученного ответа выбранному протоколу.
Микроконтроллер нижнего уровня (6) сохраняет настройки подключения в энергонезависимой памяти. При соответствующем протоколу ответе микроконтроллер нижнего уровня (6) прерывает процедуру поиска и определения цифровых шин и переходит в рабочий режим. В рабочем режиме продолжается опрос котла по выбранной шине, а полученные ответы перемещаются в буфер микроконтроллера нижнего уровня (6), где из них формируются пакеты для отправки по запросу на микроконтроллер верхнего уровня.
Релейный выход (7) служит для управления котлом в режиме комнатного термостата, когда микроконтроллер нижнего уровня (6) не получает соответствующий протоколу ответ. При этом микроконтроллер нижнего уровня (6) сохраняет текущие настройки и завершает процедуру поиска цифровых шин.
Микроконтроллер нижнего уровня (6) взаимодействует с микроконтроллером верхнего уровня, модулем формирования сигнала (4.1-4.4) и преобразователем входного сигнала (5.1-5.4) через UART-интерфейс.
Сущность полезной модели
Работает универсальный модуль входа цифровых шин следующим образом. При включении питания микроконтроллер нижнего уровня (6) запускает процедуру поиска и определения цифровой шины в соответствии с алгоритмом, изображенным на Фиг. 2а (начало) и Фиг. 2б (продолжение). Микроконтроллер нижнего уровня (6) (Фиг. 1) подключает из своей внутренней памяти библиотеку управления по цифровой шине и передает управление функции протокола цифровой шины_1, настраивает UART-интерфейсы для связи с модулем формирования сигнала по цифровой шине_1 (4.1) и преобразователем сигнала цифровой шины_1 (5.1). Далее, на модуль формирования сигнала по цифровой шине_1 (4.1) передается команда опроса котла по цифровой шине_1, который производит усиление сигнала в соответствии с физическим уровнем протокола котла по цифровой шине_1. Далее сигнал попадает на блок коммутации (3), откуда пересылается на блок контроля полярности подключения (2). Блок контроля полярности подключения (2), а именно двухполупериодный выпрямитель, при необходимости меняет полярность переменного напряжения на противоположную. Далее сигнал поступает на порт подключения котла (1). При получении ответа от котла, который приходит на порт подключения котла (1), проходит блок контроля полярности (2) и попадает на преобразователь входного сигнала шины_1 (5.1), преобразованный сигнал через соответствующий UART-интерфейс подается на вход микроконтроллера нижнего уровня (6), где производится проверка на корректность и соответствие полученного ответа выбранному протоколу. Если ответ корректный, в энергонезависимую память микроконтроллера нижнего уровня (6) сохраняются настройки подключения к котлу, а сам микроконтроллер нижнего уровня (6) прерывает процедуру поиска и определения цифровых шин и переходит в рабочий режим. В рабочем режиме продолжается опрос котла по выбранной шине, а полученные ответы перемещаются в буфер микроконтроллера нижнего уровня (6), где из них формируются пакеты для отправки по запросу на микроконтроллер верхнего уровня.
Если полученный ответ был некорректным, процедура поиска и определения продолжается, при этом микроконтроллер нижнего уровня (6) передает управление функции протокола цифровой шины_2, подключает UART-интерфейсы для обмена с модулем формирования сигнала по цифровой шине_2 (4.2) и преобразователем сигнала цифровой шины_2 (5.2). Процедура отправки запроса и получения ответа, с последующей проверкой на корректность, повторяется по уже описанному алгоритму.
Данная процедура повторяется последовательно по каждой цифровой шине, пока не будет получен корректный ответ, после чего производится запись настроек и микроконтроллер нижнего уровня (6) переходит в рабочий режим.
Если корректный ответ не приходит ни по одной из цифровых шин, сохраненных в памяти микроконтроллера нижнего уровня (6),  микроконтроллер нижнего уровня (6) переходит в режим работы комнатного термостата, сохраняет текущие настройки, и завершает процедуру поиска. При этом команды на открытие/закрытие, полученные от микроконтроллера верхнего уровня, напрямую ретранслируются микроконтроллером нижнего уровня (6) на релейный выход (7).
Преимущества заявляемого устройства
Тепловой контроллер имеет единый вход для подключения всех цифровых интерфейсов. Данная аппаратная реализация позволяет пользователю обходиться без дополнительных аппаратных модулей или адаптеров, существенно сократить временные затраты на подключение и пусконаладку. В случае изменения интерфейса взаимодействия при смене котла пользователю нет необходимости менять или докупать другое устройство для управления котлом. Устройство способно при подключении самостоятельно распознать цифровой протокол, который поддерживается конкретным котлом.