Система управління роботою твердопаливного опалювального котла

Реферат: Система управління роботою твердопаливного опалювального котла, до складу якої входить контролер з мікропроцесором, котрий формує керуючі методи впливу на роботу котла згідно з відповідною програмою. Мікропроцесор зв'язаний з датчиком температури теплоносія в котлі, блоком управління вентилятором та реле вмикання насоса центрального опалення, причому мікропроцесор своїми входами зв'язаний з датчиком температури води гарячого водяного забезпечення, розміщеним у бойлері, датчиком температури зовнішнього повітря та термостатом, а виходами - з реле вмикання насоса гарячого водяного забезпечення, розміщеного у бойлері, блоком управління додатковим вентилятором та GSM-модулем. UA 113676 U (54) СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ РОБОТОЮ ТВЕРДОПАЛИВНОГО ОПАЛЮВАЛЬНОГО КОТЛА UA 113676 U UA 113676 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до теплоенергетики, а саме до технологій енергозбереження та екологічності опалювання і може бути використана для регулювання роботи твердопаливних котлів. Серед великої кількості представленого на сучасному ринку опалювального обладнання є безліч варіантів, які підходять для опалювання порівняно невеликих об'єктів, зокрема заміських будинків. При постійному зростанні вартості електроенергії і дизельного палива та проблемах з централізованою подачею природного газу найбільш оптимальним вибором при вирішенні питань теплопостачання об'єктів є твердопаливні котли. Самий традиційний варіант твердопаливні котли тривалого горіння. Незважаючи на громіздкість обсягу роботи, котра виконується цими котлами, вони до цих пір користуються популярністю за рахунок своєї невисокої ціни, будучи найбільш прийнятними для опалювання приміщень. І хоч сьогодні створені і використовуються сучасні технологічні, продуктивні і прості у використанні агрегати, багато моделей на твердому паливі мають недостатньо досконалу конструкцію перш за все через малоефективну систему автоматизації їх робочого процесу. Розробники твердопаливних котлів створили чимало варіантів різноманітних автоматизованих систем управління процесом горіння - командних регуляторів (або контролерів), наділених тими чи іншими функціями. 9 Так, в патенті України № 102117 (MПК : F24D 3/00, F23L 1/00, F24D 5/00, опубл.12.10.2015, Бюл. № 19) описаний опалювальний котел, оснащений системою управління, котра контролює температуру води в ємності котла та регулює подачу повітря в камеру підігріву. Подачу повітря система здійснює за допомогою заслінки, встановленої в підвідному повітропроводі котла. Система відпрацьовує програму, встановлену оператором, і передбачає регулювання положення заслінки в залежності від потреби встановлення оптимального об'єму повітря в камері у міру нагрівання води. Недоліком цієї системи управління є її недостатня експлуатаційна надійність та низькі функціональні можливості. Більш ефективною з позиції забезпечення розширених функціональних можливостей є автоматизована система управління роботою водогрійних котлів, представлена в патенті РФ № 8 2161813 (MПК :G05B 19/18, опубл. 10.01.2001 р.). Програмне забезпечення цієї системи в процесі роботи опалювального котла дозволяє виявляти відхилення від норми робочого режиму і у відповідності до цього здійснювати ті чи інші заходи для їх усунення. Але така система є обтяженою конструктивно та доволі громіздкою, через що вона незручна та мало прийнятна для твердопаливних опалювальних котів, особливо для побутових. Відома також система управління подачею повітря в топку опалювального котла, яка має контур регулювання надлишку повітря із задатчиком надлишку повітря, датчики витрати палива та повітря, аналізатор складу димових газу з датчиком димових газів, блок формування корегуючого впливу на задатчик коефіцієнта надлишку повітря, обчислювальний мікропроцесор, підключений до блока формування корегуючого впливу, диференційний блок, з'єднаний з 8 датчиком витрати палива та мікропроцесором (А.с. № 1627787, MПК : F23N 3/00, опубл. 15.02.1991, Бюл. № 6). Недоліком цієї системи управління є складність та доволі низька точність регулювання подачею повітря в камеру згорання, що обумовлено необхідністю здійснення цілого ряду операцій, які передують виробленню керуючих сигналів. Так, корегуючий сигнал формують на основі результатів аналізу складу продуктів згорання дискретним аналізатором, вимірювання часу між циклами відбору проб, вимірювання параметра, що характеризує співвідношення паливо-повітря, вимірювання швидкості зміни подачі палива в топку та багатьох інших параметрів. За прототип корисної моделі прийнята система управління роботою твердопаливного опалювального котла, до складу якої входить контролер з мікропроцесором, котрий формує керуючі методи впливу на роботу котла згідно з відповідною програмою, мікропроцесор зв'язаний з датчиком температури теплоносія в котлі, блоком управління вентилятором та реле 9 вмикання насоса центрального опалення (патент України № 75795, MПК : F23N 3/00, опубл. 10.12.2012, Бюл. № 23). Безперебійність функціонування твердопаливного котла у потрібному режимі забезпечується шляхом контролю за роботою його елементної бази згідно з програмою, закладеною в основу роботи системи управління (або контролера) цього котла. Система спричиняє корегуючий вплив на ті чи інші елементи котла у разі відхилення показників їх роботи від запрограмованих. Завдяки цьому твердопаливний котел працює у безпечному та безперебійному режимі зі скороченими витратами палива та електроенергії. 1 UA 113676 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Але в той же час функціональні можливості цієї системи управління є доволі обмеженими, тому що вона розрахована виключно на керування роботою одного лише опалювального котла, в той час як опалювальні котли часто функціонують у поєднанні з іншими джерелами тепла або гарячого водопостачання, наприклад, бойлерами. Крім того, програма, яку відпрацьовує ця система, охоплює неповний перелік факторів, котрі суттєво впливають на роботу котла, і які у відомому технічному рішенні проігноровані. До недоліків системи слід віднести також те, що вона не розрахована на управління роботою опалювальних котлів, габарити яких перевищують середні розміри і які оснащені додатковими вентиляторами. В основу корисної моделі поставлена задача розширення функціональних можливостей системи управління роботою твердопаливного опалювального котла шляхом оптимізації роботи контролера, зокрема, налагодженням зв'язку керуючого мікропроцесора контролера з конструктивними елементами, із якими взаємодіє опалювальний котел - з датчиком температури води бойлера, датчиком температури зовнішнього повітря, термостатом, GSMмодулем, реле вмикання насоса бойлера та блоком управління додаткового вентилятора, що дозволяє в автоматичному режимі здійснювати управління роботою як опалювального котла, так і бойлера, а також додаткового вентилятора, налагоджувати роботу котла залежно від температури зовнішнього середовища та з урахуванням встановленого на термостаті температурного режиму, здійснювати моніторинг стану опалювального котла, виявляти відхилення від встановленої програми та дистанційно їх корегувати. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в системі управління роботою твердопаливного опалювального котла, до складу якої входить контролер з мікропроцесором, котрий формує керуючі методи впливу на роботу котла згідно з відповідною програмою, мікропроцесор зв'язаний з датчиком температури теплоносія в котлі, блоком управління вентилятором та реле вмикання насоса центрального опалення, згідно з корисною моделлю, мікропроцесор своїми входами зв'язаний з датчиком температури води гарячого водяного забезпечення, розміщеним у бойлері, датчиком температури зовнішнього повітря та термостатом, а виходами - з реле вмикання насоса гарячого водяного забезпечення, розміщеного у бойлері, блоком управління додатковим вентилятором та GSM-модулем. Ознаки, які відрізняють запропонований твердопаливний котел від ознак опалювальних котлів подібного призначення, описаних згідно відомого технічного рівня, зокрема, викладених у джерелі, прийнятому за прототип, обумовлюють вказаний вище технічний результат, який досягається в процесі роботи цього котла. У запропонованому технічному рішенні такі елементи, як датчик температури води бойлера, датчик температури зовнішнього повітря, термостат, GSM-модуль, реле вмикання насоса бойлера та блок управління додаткового вентилятора, по-суті є посередниками між контролером та новими конструктивними елементами, якими додатково оснащений опалювальний котел, і яких, позбавлений котел, описаний в прототипі. Такими елементами є бойлер, термостат, GSM-модуль та додатковий вентилятор. Завдяки цим елементам експлуатаційні можливості твердопаливного котла значно підвищуються, зростає його надійність, точність керування, вони дозволяють суттєво зекономити паливо та електроенергію. їх функціонування повністю підпорядковується алгоритму програми, яку відпрацьовує мікропроцесор. Так, мікропроцесор згідно відповідної програми керує роботою реле вмикання насоса гарячого водопостачання (або бойлера) в залежності від зчитуваних показників температури теплоносія в бойлері. Якщо ця температура змінюється, то відповідно вмикається чи вимикається насос бойлера. Так само мікропроцесор в залежності від температури теплоносія в котлі управляє обома вентиляторами, збільшуючи чи зменшуючи їх оберти відповідно до встановленої програми. Функціональні можливості твердопаливного котла суттєво розширюються за рахунок встановлення у приміщенні термостата, який поєднаний з керуючим мікропроцесором контролера запропонованої системи управління. Користувач може встановлювати на термостаті потрібний йому температурний режим у приміщенні, а в подальшому система сама регулює роботу котла в залежності від цього режиму шляхом змінювання обертів вентилятору (або вентиляторів) через відповідний блок (блоки) управління. Зв'язок мікропроцесора з GSM-модулем надає можливості оповіщення користувача про необхідність додавання твердого палива (дров), виникнення тих чи інших непередбачуваних ситуацій чи відхилень у роботі опалювального котла. Він призначений для моніторингу та сигналізації про такі ситуації, а також для віддаленого управління ними через стільниковий зв'язок. На практиці це виглядає так: будь-які відхилення показників робочого режиму котла від 2 UA 113676 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 запрограмованих одразу ж фіксуються мікропроцесором системи управління, який надсилає сигнал оповіщення на GSM-модуль. Користувач, отримавши сигнал, за допомогою GSM-модуля через стільниковий зв'язок дистанційно надсилає команду на мікропроцесор щодо зміни налаштування останнього. Запропонована система управління твердопаливним котлом завдяки своїй універсальності може експлуатуватися в автоматичному режимі, підтримуючи задану температуру в приміщенні і не потребуючи постійної присутності людини. На кресленні представлена схема системи управління роботою твердопаливного опалювального котла. До складу системи управління входить контролер 1 з мікропроцесором 2, який зв'язаний з датчиком температури теплоносія в котлі 3, блоком управління вентилятором 4 та реле вмикання насоса центрального опалення 5. Мікропроцесор 2 на вході зв'язаний з датчиком температури води гарячого водяного забезпечення 6. Цей датчик розміщений у бойлері, який на кресленні не показаний. Крім того, входи мікропроцесора зв'язані з датчиком температури зовнішнього повітря 7 та термостатом 8. Виходи мікропроцесора 2 зв'язані з GSM-модулем 9, з реле вмикання насоса гарячого водяного забезпечення 10, розміщеного у бойлері, та блоком управління додатковим вентилятором 11. Схема управління оснащена також основним 12 та додатковим 13 вентиляторами, насосом центрального опалення 14 та насосом гарячого водяного забезпечення 15. Контролер системи управління роботою твердопаливного опалювального котла працює в наступних режимах: Розпалювання (вручну при температурі, не меншій 30 °C) - примусове вмикання вентилятора; Розпалювання (автоматично при температурі, більшій 30 °C); Регулювання; Контроль (продування); Тривога; Загасання. На першому етапі (режимі розпалювання) вмикають контролер та виконують потрібне налаштування параметрів режиму, вибираючи їх з меню налаштування контролера, після чого в котел завантажують тверде паливо (дрова) і вмикають вентилятор. При досягненні температури теплоносія в котлі рівня 30 °C контролер, відпрацьовуючи закладену в основу його роботи програму, автоматично переходить в режим розпалювання. При цьому вентилятор буде працювати до того часу, поки температура теплоносія досягне рівня, встановленого в контролері користувачем. Упродовж всього процесу роботи опалювального котла на індикаторі контролера буде висвітлюватись показник реальної температури теплоносія. У разі необхідності додавання твердого паливо в топку котла витримують паузу в роботі вентилятора, котрий працює в автоматичному режимі. Це здійснюють натисканням відповідної кнопки на корпусі контролера. Так само, повторно натиснувши цю кнопку, виходять з режиму паузи. В режимі регулювання контролер стабільно підтримує потрібний рівень температури теплоносія в котлі. Ця підтримка відбувається за допомогою вмикання та вимикання вентилятора. У разі зниження температури теплоносія нижче встановленого рівня вентилятор вмикається, а коли температура досягне встановленої, контролер переходить в режим контролю. В режимі контролю починає діяти продування котла. По-суті це режим циклічного включення вентилятора в залежності від того, як встановлені (запрограмовані) параметри цієї функції. Як варіант - можна встановити час, через який вентилятор повинен включитись, і часовий інтервал продування. Завдяки продуванню видаляються відпрацьовані гази. Контролер повинен якнайдовше підтримувати режим продування. Для того, щоб запобігти підвищенню температури теплоносія до небажаного рівня, мікропроцесор контролера відпрацьовує програму оптимального включення частоти періодів продування. Коли в котлі закінчується паливо, працюючий в режимі продування контролер показує температуру теплоносія та поперемінно видає звуковий сигнал. У разі перевищення встановленого максимального рівня температури теплоносія в котлі контролер переходить в режим тривоги і вимикає вентилятор. Насос при цьому залишається увімкненим. Як тільки температура знизиться до встановленої, контролер повертається до оптимального режиму роботи. Коли в котлі закінчується паливо і температура теплоносія стане меншою 30 °C контролер переходить в режим загасання. При температурі 28 °C контролер вимикає насоси і переходить в 3 UA 113676 U 5 10 режим чергування. При падінні температури теплоносія нижче 5 °C контролер вмикає насоси, видаючи при цьому відповідний звуковий сигнал і засвідчуючи відповідним сповіщенням на індикаторі. Якщо температура перевищить 30 °C, контролер переходить в режим регулювання вмикаються насоси та вентилятор і робочий цикл опалювального котла поновлюється. Запропонована система управління роботою твердопаливного опалювального котла завдяки програмі, яку вона реалізує, дозволяє користувачеві встановлювати свої індивідуальні налаштування: потужність і інтервал продування вентиляторів, функцію автоматичного відключення після закінчення опалювального сезону, регулювати діапазон температури котла з урахуванням погодних умов, а також встановлювати захисні функції проти закипання опалювального котла і анти-зупинки циркуляційного насоса по закінченні опалювального сезону. Повне згоряння дров забезпечує простоту експлуатації котла, а контроль подачі повітря - повноцінне регулювання температури теплоносія. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Система управління роботою твердопаливного опалювального котла, до складу якої входить контролер з мікропроцесором, котрий формує керуючі методи впливу на роботу котла згідно з відповідною програмою, мікропроцесор зв'язаний з датчиком температури теплоносія в котлі, блоком управління вентилятором та реле вмикання насоса центрального опалення, яка відрізняється тим, що мікропроцесор своїми входами зв'язаний з датчиком температури води гарячого водяного забезпечення, розміщеним у бойлері, датчиком температури зовнішнього повітря та термостатом, а виходами - з реле вмикання насоса гарячого водяного забезпечення, розміщеного у бойлері, блоком управління додатковим вентилятором та GSM-модулем. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4