Система кондиционирования с управлением по сети передачи данных
AIR CONDITIONING SYSTEM WITH CONTROL OVER DATA TRANSMISSION NETWORK

Изобретение относится к области кондиционирования и может быть применено для кондиционирования помещений на удаленных промышленных объектах без обслуживающего персонала, для дистанционного изменения режимов работы климатического оборудования, например, контейнеров сотовых операторов, а также жилых помещений.
Известна система кондиционирования с управлением по сети передачи данных, содержащая сеть передачи данных; кондиционер; контроллер, имеющий память и подключенный к сети передачи данных (см. например, систему кондиционирования, описанную на Интернет странице электронной версии журнала «Мир климата» №30 за 2005 год (http://mir-klimata.apic.ru/archive/30/10.html).
Недостаток этой системы - она требует установки на кондиционер дополнительного оборудования и не позволяет изменять режим работы кондиционера в автоматическом режиме из-за отсутствия обратной связи между кондиционером и контроллером.
Известна также система кондиционирования с управлением по сети передачи данных, содержащая расположенные в одном помещении сеть передачи данных, по меньшей мере один кондиционер, выполненный с возможностью управления по инфракрасному каналу, и контроллер, имеющий память, подключенный к сети передачи данных, снабженный датчиком температуры (см. RU №2 296 274, F24F 11/00, 2005).
Недостаток этой системы – отсутствие возможности согласованности работы разнородного климатического оборудования, которое зачастую работает на взаимоисключающих режимах (часть оборудования может работать на нагрев, и одновременно часть может работать на охлаждение) и невозможность дистанционного управления процессами кондиционирования.
В итоге в обычном случае известная система кондиционирования представляет из себя совокупность устройств для поддержания климата внутри помещения, которые не связаны между собой, отсутствует возможность управлять ими дистанционно, отсутствует информация о режимах работы. Из-за ошибок персонала нередко возникает ситуация, когда и кондиционер работает на охлаждение, и обогреватель на нагрев. При неправильной установке порогов кондиционер и обогреватель работают постоянно. Часто об этом становится известно лишь спустя месяцы по значительно выросшему расходу электроэнергии. Подобная ситуация возможна и с вентиляцией.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в обеспечении возможности автоматической согласованности работы разнородного климатического оборудования системы кондиционирования, при обеспечении дистанционного управления процессами кондиционирования.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в автоматическом исключении возможности работы разнородного климатического оборудования, составляющего систему кондиционирования, на взаимоисключающих режимах и снижение расхода электроэнергии на цели кондиционирования при обеспечении дистанционного управления процессами кондиционирования.
Фактически, система одновременно обеспечивает решение следующих задач:
- дистанционное управление климатическим оборудованием, которое изначально для этого не было предназначено;
- мониторинг (постоянное получение данных) параметров атмосферы помещения;
- диагностика технического состояния климатического оборудования с целью избежать дорогостоящего ремонта и обеспечить бесперебойность работы основного (не климатического) оборудования.
Для достижения указанного технического результата система кондиционирования с управлением по сети передачи данных, содержащая расположенные в одном помещении сеть передачи данных, по меньшей мере один кондиционер, выполненный с возможностью управления по инфракрасному каналу, и контроллер, имеющий память, подключенный к сети передачи данных, снабженный датчиком температуры, отличается тем, что использованы кондиционеры, выполненные с возможностью подогрева компрессоров и дренажных трубок, кроме того, система кондиционирования дополнительно содержит оборудование приточно-вытяжной вентиляции, электрический зимний обогреватель, осушители и увлажнители воздуха, при этом оборудование системы кондиционирования подключено к контроллеру с возможностью взаимного согласования работы, при этом датчики температуры установлены на входах и выходах каждого кондиционера, на обогревателе, на улице и у технологического оборудования, смонтированного в помещении, и подключены к контроллеру, при этом к соответствующим управляющим выходам контроллера подключены инфракрасные излучатели, силовые коммутирующие элементы кондиционеров, обогревателя и  оборудования приточно-вытяжной вентиляции, оснащенные датчиками тока, кроме того к контроллеру подключен выход штатной пожарной сигнализации, с возможностью отключения системы кондиционирования, кроме того, система кондиционирования снабжена подключенными к контроллеру датчиком давления, датчиком влажности и датчиком-газоанализатором, расположенными у технологического оборудования, смонтированного в помещении, при этом система кондиционирования выполнена с возможностью использования альтернативного канала связи, например, GSM.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы изобретения обеспечивает возможность согласованности работы разнородного климатического оборудования системы кондиционирования.
Признаки «использованы кондиционеры, выполненные с возможностью подогрева компрессоров и дренажных трубок», обеспечивают расширение диапазона рабочих температур кондиционера в область пониженных температур окружающего воздуха.
Признаки, указывающие, что «система кондиционирования дополнительно содержит оборудование приточно-вытяжной вентиляции», позволяет в соответствующих погодных условиях в зависимости от сезона использовать это оборудование вместо кондиционеров и тем самым снизить расход электроэнергии на цели кондиционирования, а также рационально расходовать ресурс кондиционера.
Признаки, указывающие, что система кондиционирования дополнительно содержит «электрический зимний обогреватель», позволяют поддерживать температуру воздуха в помещении в зимнее время, когда использование кондиционеров не представляется возможным из-за низких температур окружающего воздуха.
Признаки, указывающие, что система кондиционирования дополнительно содержит «осушители и увлажнители воздуха», позволяют регулировать влажность воздуха в помещении.
Признаки, указывающие, что «оборудование системы кондиционирования подключено к контроллеру с возможностью взаимного согласования работы», исключают возможность работы разнородного климатического оборудования, составляющего систему кондиционирования на взаимоисключающих режимах.
Признаки, указывающие, что «датчики температуры установлены на входах и выходах каждого кондиционера», обеспечивают контроль температуры воздуха на входе и охлаждённого/нагретого (при работе в режиме охлаждение/обогрев) на выходе кондиционера, что в результате и позволяет согласовывать их работу с работой другого оборудования системы и также позволяет оценить техническое состояние кондиционера - из практики, разность порядка 20 градусов, если меньше, то возможно, что есть проблемы с теплоносителем, кондиционер работает почти постоянно, потребляет много электроэнергии и расходует свой ресурс.
Признаки, указывающие, что «датчик температуры установлен на обогревателе», обеспечивают контроль температуры обогревателя, что в результате и позволяет согласовывать его работу с работой другого оборудования системы.
Признаки, указывающие, что датчики  температуры установлены «на улице и у технологического оборудования, смонтированного в помещении», позволяют обеспечить возможность работы кондиционеров в диапазоне отрицательных температур, включив при необходимости подогрев компрессоров и дренажных трубок кондиционеров, исключают возможность работы кондиционера при слишком низкой температуре окружающего воздуха, позволяют оценить возможность работы приточно-вытяжной вентиляции для поддержания оптимальной температуры у технологического оборудования, смонтированного в помещении.
Признаки, указывающие, что все датчики температуры, датчик давления, датчик влажности и датчик-газоанализатор «подключены к контроллеру», обеспечивают программным образом согласование работы оборудования системы кондиционирования и позволяют вести мониторинг климатических параметров помещения.
Признаки, указывающие, что «к соответствующим управляющим выходам контроллера подключены инфракрасные излучатели, силовые коммутирующие элементы кондиционеров, обогревателя и оборудования приточно-вытяжной вентиляции, оснащенные датчиками тока», обеспечивают диагностику технического состояния соответствующего климатического оборудования.
Признаки, указывающие, что «к контроллеру подключен выход штатной пожарной сигнализации с возможностью отключения системы кондиционирования», позволяют, при срабатывании штатной пожарной сигнализации, отключить систему кондиционирования, при этом имеется возможность вновь запустить оборудование.
Признаки, указывающие, что «система кондиционирования снабжена датчиком давления», обеспечивает возможность тестирования степени загрязнения воздушного фильтра вентиляции, за счёт измерения перепада атмосферного давления в помещении с включенной и выключенной системой приточно-вытяжной вентиляции.
Признак, указывающий, что система кондиционирования снабжена «датчиком влажности», позволяет поддерживать оптимальный уровень влажности в помещении.
Признак, указывающий, что система кондиционирования снабжена «датчиком-газоанализатором», обеспечивает «дублирование» датчиков пожарной сигнализации, но работает на иных физических принципах, чем обычно применяемые, - производит анализ химического состава воздуха и поэтому позволяет диагностировать ложные срабатывания штатной системы пожарной сигнализации. Кроме этого обеспечивается возможность в автоматическом режиме производить проветривание жилых помещений по критерию избыточного содержания углекислого газа.
Признаки, указывающие, что «система кондиционирования выполнена с возможностью использования альтернативного канала связи, например, GSM», обеспечивают возможность передачи предупреждения о выявлении критической ошибки при возникновении чрезвычайных ситуаций (часто в качестве основного канала связи используется спутниковый канал VSAT, поэтому из-за плохих метеоусловий связь может отсутствовать). В ряде случаев требуется незамедлительная реакция на события, например, критическое повышение/понижение температуры, пожар.
На фиг.1 представлена структурная схема системы кондиционирования.
На чертеже показаны первый 1 и второй 2 кондиционеры, их датчики температуры 3 и 4, инфракрасные излучатели – Led 5, датчики тока 6 (TT K1) и 7 (TT K2), клеммы 8 с датчиками напряжения, для подачи питания на кондиционеры 1 и 2. Кроме того, показаны подогреватели 9 компрессоров кондиционеров 1 и 2, подогреватели их дренажных трубок 10, датчики тока 11 (ТТ) для измерения тока подогревателя компрессора 9 и подогревателя дренажной трубки 10, силовые коммутирующие элементы 12 мощных нагрузок (СЭ), электрический обогреватель 13, его датчик температуры 14. Кроме того, показаны приточно-вытяжная вентиляция 15, датчики тока 16 приточно-вытяжной вентиляции 15 и электрического обогревателя 13, управляемые нагрузки 17, контроллер 18, линии связи 19 между компонентами системы, телекоммуникационное оборудование 20, сеть передачи данных 21, удалённое рабочее место 22, пожарная сигнализация 23, GSM модуль 24, датчики 25, установленные внутри  и снаружи помещения (кроме, установленных на контролируемом оборудовании), датчики влажности 26, давления 27 и состава воздуха 28. Показано пространство внутри 29 и снаружи помещения 30.
Для поддержания требуемой температуры в летнее время используются кондиционеры 1 и 2. Как правило, это модели аналогичные тем, что используются в быту и офисных помещениях. Они состоят из внешнего и внутреннего блока, управление режимами работы производится по инфракрасному каналу посредством излучателей – Led 5, они установлены на корпусе кондиционеров в непосредственной близости от фотоприёмников. Для обеспечения бесперебойной работы, устанавливается 2 кондиционера, и включаются они по схеме основной-резервный. Для равномерного износа кондиционеров необходимо их периодически менять местами. Ротацию кондиционеров обеспечивают управлением по ИК каналу, дистанционное управление обеспечивается контроллером 18. Наружный блок кондиционера рассчитан для работы при температуре окружающего воздуха не ниже определенной величины. Первый 1 и второй 2 кондиционеры не отличаются по конструкции от известных, кроме того, что для расширения диапазона рабочих температур, они выполнены с возможностью подогрева компрессоров и дренажных трубок. На компрессоры кондиционеров и их дренажные трубки установлены подогреватели, соответственно, 9 и 10, которые обеспечивают подогрев кондиционеров 1 и 2 при низких температурах наружного воздуха, управление осуществляется контроллером 18.  Датчики температуры 3 и 4 установлены на входе и выходе кондиционеров, для измерения воздуха на входе 3 и охлаждённого/нагретого на выходе 4. Датчики тока 6 (TT K1) и 7 (TT K2) предназначены для измерения токов компрессоров, внешних вентиляторов и внутренних блоков кондиционеров 1 и 2. Датчики тока 11 (ТТ) обеспечивают измерения тока подогревателей 9 компрессора и дренажных трубок 10. Анализ показаний датчиков температуры и тока позволяет отслеживать техническое состояние кондиционера как наиболее дорогостоящего устройства климатической системы и вовремя принять меры для предупреждения выхода его из строя. Отключение питания кондиционера на длительное время, например, на зимний период, управление подогревом внешнего блока кондиционера и подогревом дренажных трубок осуществляется коммутацией питания. Коммутация производится силовыми коммутирующими элементами 12. Дополнительно возможно контролировать закрытие окон и дверей, т.к. работа кондиционера не имеет смысла при открытых окнах. Для этого к контроллеру можно подключить датчики, аналогичные применяемым в охранных системах, и режим назван “охрана” по схожему принципу работы.
Электрический обогреватель 13 это конвектор отопления любого типа, предназначенный для обогрева помещения в зимнее время, на который установлен датчик температуры 14. В цепях питания конвектора отопления установлены датчики тока 16 для диагностики его работоспособности. Управление осуществляется силовыми коммутирующими элементами 12. Работой обогревателя управляет контроллер 18.
Силовые коммутирующие элементы 12 мощных нагрузок, предназначены для коммутации сильноточных цепей, либо согласования уровня управляющих сигналов. Тип и мощность силовых коммутирующих элементов напрямую зависит от мощности коммутируемого оборудования, они подбираются индивидуально.
Приточно-вытяжная вентиляция 15 это система вентиляции любого типа, для охлаждения и проветривания помещения уличным воздухом.  С одной стороны, это позволяет значительно экономить электроэнергию, мощность, потребляемая вентилятором много меньше мощности потребляемой кондиционером, обеспечивается экономия ресурса кондиционера, стоимость замены/ремонта вентилятора не соизмерима со стоимостью замены/ремонта кондиционера. С другой стороны, при работе систем вентиляции, в помещение неизбежно попадает пыль, насекомые, влажность может превысить критическую отметку. Поэтому требуется как минимум наличие фильтра поступающего воздуха, необходимо дистанционно контролировать его степень загрязнения и влажность воздуха в помещении. Контроль загрязнения выполняется контроллером 18, на основании анализа перепада атмосферного давления, измеренного датчиком 27 с включенной и отключенной системой приточно-вытяжной вентиляции 15, влажность контролируется по показаниям датчика 26. Измерение тока потребляемого приточно-вытяжной вентиляцией производится датчиком тока 16.
Управляемые нагрузки 17 это оборудование для поддержания влажности в помещении, резервное климатическое оборудование, и любое другое оборудование, которым необходимо управлять дистанционно. Нагрузки разделены на две группы - отключаемые при срабатывании пожарной сигнализации, и неотключаемые, которые могут быть использованы для активации дополнительной системы пожаротушения. Управление осуществляется контроллером 18 через силовые коммутирующие элементы 12.
Телекоммуникационное оборудование 20 – любое оборудование, которое может осуществить перезагрузку контроллера 18, и принять для дальнейшей обработки сигнал предупреждения сформированный контроллером 18. Удаленное наблюдение за состоянием и управления системой осуществляется через сеть передачи данных 21 (Ethernet), подключенной к контроллеру, при этом 22 это удалённое рабочее место. GSM модуль 24 – альтернативный канал связи, для передачи сообщения о возникновении критической ситуации.
К контроллеру 18 подключается выход штатной, установленной на объекте системы пожарной сигнализации 23, по сигналу с которой контроллер блокирует всё климатическое оборудование, при этом имеется возможность запустить его вновь. Программная обработка данных с датчика состава воздуха 28 позволяет диагностировать ложные срабатывания штатной системы пожарной сигнализации. Кроме этого, формируется сигнал предупреждения при наличии в воздухе продуктов горения, тем самым дублируется штатная система пожарной сигнализации, на случай выхода её из строя и для проверки корректности ее срабатывания.
Контроллер 18 собирает данные, поступающие с всех датчиков температуры: 3,4,14 (установленных на контролируемом оборудовании, внутри 29 и снаружи помещения 30), датчиков тока 6,7, 11 и 16, датчиков влажности 26, давления 27, состава воздуха 28, датчиков напряжения 8, состояния пожарной сигнализации, датчиков открытия дверей. Контроллер производит программную обработку данных и выдает команды в соответствии с заданным алгоритмом работы и установленными значениями, по совокупности показаний датчиков оценивается техническое состояние контролируемого оборудования. Формируется сигнал предупреждения при выходе контролируемых параметров за установленные пределы, срабатывании пожарной сигнализации, открытии окон, или при неверной конфигурации оборудования, например, одновременная работа кондиционера и вентиляции. Показания всех датчиков, режим работы оборудования, заданные пороги отображаются на удалённом рабочем месте 22. Кроме этого, контроллер по встроенным часам реального времени, позволяет изменять режимы работы климатического оборудования, по заранее установленному графику. Все параметры сохраняются в энергонезависимой памяти. Возможность изменения (адаптации) алгоритма работы обеспечивается с помощью обновления программного обеспечения. Для повышения надёжности и обеспечения требуемой помехоустойчивости, работа с датчиками может осуществляется по цифровым шинам, работа с внешними цепями организована через гавальническую развязку, применяется пассивное охлаждение, используемая элементная база позволяет исключить необходимость технического обслуживания контроллера на протяжении всего срока эксплуатации. Контроллер размещён в металлическом корпусе (для защиты от возможного воздействия помех) и располагается внутри помещения 30, в непосредственной близости от кондиционеров 1 и 2. Контроллер исходя из своего назначения и места установки не имеет внешних элементов управления, для этих целей предусмотрен web-интерфейс, управление осуществляется по сети передачи данных.
Все устройства объединены общим алгоритмом работы, однако наличие всех вышеперечисленных устройств не является обязательным, контроллер будет работать и при отсутствии части из них, однако, соответственно некоторые режимы станут недоступны.
Предлагаемая разработка объединяет разрозненные устройства поддержания климата в единое целое. При этом обеспечивается:
- возможность дистанционного управление режимами работы управляемого оборудования;
- контроль параметров помещения и режимов работы климатического оборудования;
- выявление взаимоисключающих режимов работы;
- работа в ручном и автоматическом режиме;
- блокировка климатического оборудования при срабатывании пожарной сигнализации (имеется встроенный газоанализатор для контроля состава воздуха, в данном случае на продукты горения);
- контроль технического состояния управляемого оборудования;
- экономия электроэнергии, рациональный расход ресурса климатического оборудования;
-  переход в автоматическом режиме с кондиционера на вентиляцию, обогреватель и обратно в соответствии с выбранным алгоритмом работы, подключение резервного кондиционера во время пиковых нагрузок, когда мощности одного недостаточно;
- предупреждения при выходе контролируемых параметров за установленные пределы, неверной конфигурации оборудования, возникновении аварийных режимов;
- возможность изменять режимы работы климатического оборудования в заданное время по таймеру;
- возможность использования альтернативного канала связи (например, GSM) для передачи предупреждения о выявлении критической ошибки.