Alte Heizung – Neue Regelung: Phase 2 – Programmierung

Die Rahmenbedingungen waren abgesteckt. Nun galt es, der bestehenden Heizungsanlage eine neue Intelligenz einzuhauchen, also zuallererst einmal alle Sensorsignale richtig zu verstehen.

Sensor

Irgendwem erschien es manchmal so, als wäre es eine Frage der Ehre für jeden Heizungshersteller, seinen eigenen Sensortyp zu verwenden. Umsomehr wusste er es zu schätzen, dass er auch diesen Exoten (NTC 5kOhm) in der Auswahlliste für mögliche UVR16x2-Sensoren wiederfand.

Sensor-Eingang-NTC

Aber auch das Ansteuern der Anlage, stellte ihn vor keine großen Schwierigkeiten:

Da noch keine hochgezüchteten elektronisch geregelten Pumpen eingebaut waren, war es neben einem simplen EIN/AUS auch möglich, TRIAC-Ausgänge der UVR16x2 für die Drehzahlregelung zu verwenden.

Auch die eingebauten automatischen Ventile und Heizungsmischer hörten – wie es sich gehört – auf Ein/Aus Signale mit 230V.

Einbindung-Mischer-Bestand

Einbindung und Ansteuerung des bestehenden Heizungsmischers

Und obwohl schon etwas betagt, hatte der Heizkessel einen potentialfreien externen Anforderungskontakt, über den er von der UVR16x2 direkt ein- und ausgeschaltet werden konnte.

Einzig der elektrische Heizstab, der im Warmwasserspeicher eingebaut war, erforderte ein zusätzliches Schütz, das über 230V von der UVR angesteuert werden konnte und das Schalten der hohen elektrischen Leistung übernahm.

Etwas kniffliger wurde es schon mit der Regelungslogik. Denn neben der Steuerung der nicht ganz alltäglichen Hydraulik sollten auch die Schwächen der alten Regelung ausgebügelt werden. Und um spezielle Anforderungen zu erfüllen, musste Irgendwer manchmal schon recht tief in seine Trickkiste greifen …

Regelungslogik

Die grafische Darstellung der Verknüpfung von Funktionsbausteinen im Programmiertool TAPPS war überaus hilfreich, um den Überblick über die Regelungslogik nicht zu verlieren…

Parallel zur Programmierung hielt Irgendwer alle relevanten Einzelheiten vom Hydraulikschema, über die Belegung der Ein-/Ausgänge, die Verdrahtung der Komponenten bis zur Regelungslogik in einem Handbuch fest. Denn der Besitzer sollte ja am Ende in der Lage sein, seine neue Regelung vollständig selbst zu verkabeln und in Betrieb zu nehmen.

Handbuch

Unverzichtbar: Das individuelle Siedler-Handbuch …

Damit wären wohl viele zufrieden gewesen. Nicht aber Irgendwer, der genau wusste, dass der wichtigste Teil erst nach der Inbetriebnahme wartete, nämlich die Optimierung der Regelung und die Anpassung an das tatsächliche Anlagenverhalten.

Daher war es aus seiner Sicht unverzichtbar, zu jeder Zeit – für ihn auch aus der Ferne – einen Überblick über die Anlage zu behalten und ein bestimmtes Regelungsverhalten auch im Nachhinein analysieren zu können.

Daher baute er mit Hilfe des TA-Designer ein Onlineschema, das den aktuellen Anlagenzustand auf eine Blick darstellte…

TA-Designer

Erstellen des Onlineschemas im TA-Designer

… und selektierte kritische Messwerte und Regelparameter, die er in die  Datenaufzeichnung aufnahm.

Konfiguration Datenlogging

Konfiguration des Datenloggings in TAPPS

Jetzt musste er nur noch warten, bis der Siedler seine neue UVR16x2 beschafft, über das CMI erfolgreich mit dem Internet verbunden, und ihm Fernwartungszugang gestattet hatte.

CMI-Fernwartung

Fernwartung über CMI und das Webportal der Technischen Alternative

Dann folgten noch einige Standard-Fernwartungs-Handgriffe: Firmware von CMI und Regler aktualisieren, Funktionsdaten und Onlineschema aufspielen, Abruf der Messdatenaufzeichnung über Winsol konfigurieren.

Und damit war alles bereit für die Inbetriebnahme …

Gönnen wir dem CMI sein eigenes Netz!

oder:

Wie Irgendwessen Problem gelöst wurde, weil das elkement gerne schnüffelt, was die ‚Dinge‘ so machen im Internet of Things.

Irgendwer stand vor einer besonderen Herausforderung: Der Chefingenieur und Regler-Freak hatte das ideale Plätzchen gefunden: Genügend Platz und Ruhe, um UVR16x2, CMI & Co für seine Projekte aufbauen, verkabeln und testen zu können. Fast ideal, wenn man es genau nahm. Denn die Siedler hatten diesem Plätzchen kein LAN gegönnt. Das CMI  – das Control and Monitoring Interface, also das ‚Ethernet-Gateway‘ des Reglers – konnte nicht angeschlossen werden. Damit wäre Irgendwer zurück in die Steinzeit des SD-Karten-Hin-und-Hertragens geworfen worden.

Aber ‚glücklicherweise‘ legten gerade einige ganz besonders fiese Kameras und Videorekorder das halbe Internet lahm – und das elkement erinnerte sich dadurch an eine bereits einmal hier publizierte Anleitung zum Thema: Wie kann man als normaler Windows-Benutzer ohne Hackererfahrung herausfinden, welche Botschaften diese (bösen?) Dinge in die Welt senden und empfangen?

Hier wurde ein von Profis oft belächeltes Feature von Windows genutzt – die so genannte Internetverbindungsfreigabe: Ein normaler Windows-PC kann damit in einen Router verwandelt werden: Der PC verbindet sich wie immer per WLAN ins lokale Siedlernetzwerk – und damit ins Internet. Das ‚Ding‘ wird mit den LAN-Anschluss des PC verbunden und kann die ‚freigebene‘ Internetverbindung nutzen. Nachdem der PC jetzt höchspersönlich alle Netzwerkpakete des Dinges weiterreicht, kann der investigative Benutzer diese auch mit Sniffer-Software auf diesem PC untersuchen.

Aber eigentlich kann man diese Funktion ja einfach so verwenden, wie sie vielleicht gedacht war: Einem WLAN-unfähigen Ding wird eine Brücke ins Internet gebaut.

Aus Klimaschutzgründen wurde natürlich ein ausrangiertes Testnotebook verwendet, dem so ein zweites Leben als wichtiger Router ermöglicht wurde.

Die folgende Grafik zeigt die ‚Netzwerkarchitektur‘:

Netzwerk zum Testen eines CMI mit Regler UVR16x2 in seinem eigenen Subnetz

Der Ethernetanschluss des Laptop-Routers wird von Windows mit der IP-Adresse 192.168.137.1 konfiguriert, sobald die Internetfreigabe aktiviert wurde. Dieser Computer wird zum DHCP-Server und weist dem dem ‚Ding‘ eine dynamische IP-Adresse aus demselben Netzwerk zu, z.B. 192.168.137.2. Der WLAN-Adapter erhält eine Adresse aus dem sonst verwendeten ‚Office‘-Netzwerk (oft: 192.168.0.x)

Für Details zu den Einstellungen am PC siehe den früheren Artikel über das Internet der Dinge. Unter Windows 10 muss/kann jetzt auch die Netzwerkverbindung nicht mehr ausgewählt werden, auf der das Ding sitzt. Kleiner Tipp, bestätigt durch die bewährte Methode ‚Googlen in Foren‘: Wenn unter Windows 10 die Internetverbindungsfreigabe nach einem Neustart nicht mehr funktioniert, muss sie nochmals in den Eigenschaften des WLAN-Adapters deaktiviert und wieder aktiviert werden.

Wie früher schon berichtet wurde, kann so eine Kaskade von Netzwerken auch sinnvoll sein, um ein sensibles Ding (wie den Logger BL-NET) vor einem besonders gesprächigen Ding (IP-TV) zu schützen.

Irgendwer konnte somit wahlweise über das Router-Notebook lokal auf das CMI zugreifen oder über das Internet, also sozusagen bei der Türe raus und beim Fenster wieder rein. Da man vom lokalen ‚Office‘-Netzwerk gar nicht direkt lokal auf das CMI kommt (sondern nur über die ‚Cloud‘), ist das auch halbwegs realistischer Test der späteren Fernwartung über das Internet.

Die Reglerprogrammierung ging damit eigentlich fast schneller als das Aufräumen des Spielplatzes Arbeitsplatzes danach:

irgendein-stilles-plaetzchen-unaufgeraeumt

Das Besondere an LEO_2: (2) Dumme Wärmepumpe – Schlaue Regelung

Es ist gar nicht so einfach, die optimale Wärmepumpe für das Wärmepumpensystem LEO_2 zu finden. Aber nicht deswegen, weil es für diese Wärmepumpe ungewöhnliche oder komplizierte Anforderungen gäbe. Nein, sondern weil die ‚dümmste‘ und einfachste – und damit günstigste – Sole/Wasser Wärmepumpe bereits alle Voraussetzungen erfüllt. Solche einfachen Wärmepumpen sind aber heutzutage kaum noch auf dem Markt zu finden.

Dumme Wärmepumpe

Die ‚dümmste‘ Sole-Wasser-Wärmepumpe mit minimalem Funktionsumfang ist für das Wärmepumpensystem LEO_2 bereits ausreichend.

Für LEO_2 kann jede Sole-/Wasser Wärmepumpe eingesetzt werden, die folgende Anforderungen erfüllt:

  1. Die gewünschte Heizkreis-Vorlauftemperatur soll auf einen Festwert einstellbar sein.
  2. Die Wärmepumpe soll über einen Schaltkontakt von einer externen Steuerung eingeschaltet (‚angefordert‘) werden können. Viele Wärmepumpen haben einen sogenannten EVU-Kontakt, der dafür verwendet werden kann.
  3. Die Wärmepumpe muss die Solepumpe über einen Schaltkontakt einschalten (‚anfordern‘), der von einer externen Steuerung abgegriffen werden kann.

Die (Jahres-)Arbeitszahl wird ohnehin nur zu einem geringen Anteil durch spezielle (aber teure) ‚Features‘ der Wärmepumpe bestimmt, sondern zum überwiegenden Anteil durch die Bauweise und Nutzung der Gesamtanlage sowie durch die Regelung.

Beim Wärmepumpensystem LEO_2 wird daher die in der Wärmepumpe eingebaute Regelung nur für die ‚grundlegenden Lebensfunktionen‘ der Wärmepumpe genutzt (Einschalten, Ausschalten, Überwachung/Regelung des Kältemittelkreises).

Die Steuerung der Gesamtanlage (Regelung der Wärmequelle, Heizungs- und Kühlregelung, Warmwasserbereitung) übernimmt die frei programmierbare Universalregelung UVR1611 in Kombination mit einem C.M.I. (Control and Monitoring Interface). Diese Kombination hat folgende Eigenschaften:

  1. Individuell nutzbare Sensor-Eingänge und Aktor-Ausgänge zum Ansteuern von Pumpen, automatischen Ventilen oder Mischern. Über Zusatzmodule ist die Anzahl der Ein-/Ausgänge erweiterbar.

    UVR1611-Ein-Ausgänge

    Skizze der UVR1611 Ein- / Ausgänge (vgl. Handbuch UVR1611 der Technischen Alternative)

  2. Die Steuerungslogik kann individuell auf die Erfordernisse des Projektes angepasst werden. Sie ist offen für die laufende Anlagenoptimierung und für eventuelle spätere Erweiterungen.

    UVR1611-Regelungslogik

    Die Regelungslogik kann in einem graphischen Tool (‚TAPPS‚) auf dem PC individuell programmiert und danach auf den Regler geladen werden.

  3. Der aktuelle Betriebszustand der Gesamtanlage kann in einer Online-Übersicht aller Messwerte dargestellt werden (‚Online-Schema‘)

    Onlineschema-LEO_2_Pilotanlage

    Das Onlineschema der Anlage wird individuell mit dem Programm TA-Designer erstellt. Es zeigt auf einen Blick die Übersicht über alle aktuellen Messwerte, sowie die Schaltzustände der Ausgänge.

  4. Der zeitliche Verlauf von Messwerten und Schaltausgängen kann mit Hilfe des C.M.I. in einem Logfile aufgezeichnet werden. Dieses kann zur Anlagenoptimierung oder Fehleranalyse verwendet werden.

    Zeitverlauf Messwerte Winsol

    Der Zeitverlauf aller aufgezeichneten Messwerte wird mit dem Programm ‚Winsol‚ dargestellt. Für die individuelle Weiterverarbeitung der Messwerte ist ein Export in das *.csv Format möglich.

  5. Über das C.M.I. ist der Fernzugriff – über ein lokales Netzwerk oder das Internet – auf die Regelung, das Onlineschema und die Monitoring-Daten möglich (Fernwartung).

    CMI-Onlineportal

    Auf alle Funktionen und Konfigurationsmöglichkeiten, die für Betrieb und Wartung der Anlage nötig sind, kann über das C.M.I. zugegriffen werden.

  6. Die Software zur Programmierung der Regelung, zur Erstellung des Online-Schemas und zum Datenmonitoring wird von der Technischen Alternative kostenlos zum Download bereitgestellt.

Jenseits von Pannonien (5)

oder

Gleich zu Beginn eine Herausforderung …

Der große Tag war gekommen. Das Wärmepumpensystem LEO_2 in der Hütte des unerschrockenen Siedlers war fertiggestellt!

Irgendwer war gerade noch damit beschäftigt, das Inbetriebnahmeprotokoll sorgfältig Schritt für Schritt durchzugehen:

Inbetriebnahmeprotokoll LEO_2

Inbetriebnahmeprotokoll für die Wärmepumpenanlage LEO_2

  • Solekreis gefüllt und entlüftet, Fülldruck OK ? … Check!
  • Heizkreis gefüllt und entlüftet, Fülldruck OK ? … Check!
  • Alle Fühler korrekt verdrahtet, Anzeige OK? … Check!
  • Pumpen, Mischer, automatische 3-Wege-Ventile korrekt angeschlossen und funktionsbereit ? … Check!
  • Regelparameter auf die korrekten Sollwerte eingestellt? … Check!

Alles bereit, um den Schalter umzulegen… – Wirklich alles …?

Na ja, eine klitzekleine Kleinigkeit fehlte noch: Der zukünftige Eisspeicher, der auch als Zisterne dienen würde, war – statt mit Wasser – derzeit immer noch mit Luft gefüllt …

Ebbe im Eisspeicher

Ebbe im Eisspeicher …

Trotzdem sollte möglichst rasch mit dem Heizen begonnen werden. Denn der Estrich musste mit einem zweiwöchigen Heizprogramm getrocknet werden, bevor das Verlegen von Fußböden möglich war.

„Heizen mit leerem Eisspeicher. – Geht das … ?!“

Noch dazu mit der energieaufwändigen Herausforderung der Estrichtrocknung?!

Doch bei den frühlingshaften Temperaturen stand alleine über den Kollektor mehr als ausreichend Umweltenergie für die Wärmequelle zur Verfügung. Das einzige Problem, das Irgendwer erkennen konnte, war, dass die Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe an warmen, sonnigen Tagen zu hoch werden könnte. Laut Spezifikation des Wärmepumpenherstellers durfte nämlich die Wärmequellentemperatur die Einsatzgrenze von 20°C nicht überschreiten …

UVR1611-Regelungslogik

Bevor Irgendwer eine endgültige Entscheidung traf, prüfte er noch einmal kurz die Regelungslogik und kam zum Schluss, dass das Heizen mit leerem Eisspeicher möglich war! Es waren lediglich zwei Regelungsparameter temporär zu ändern …

Nach eingehender Prüfung aller Voraussetzungen beschlossen der unerschrockene Siedler und Irgendwer es zu versuchen. Auch mit einem Blick auf die eher regnerischen Wettervorhersagen für die nächsten Tage – mit Höchsttemperaturen unter 20°C.

Zur Sicherheit hatten sie eine provisorische Fernwartung der Anlage eingerichtet, mit der sie sämtliche Sensorenwerte überwachen, Reglerparameter ändern und – im schlimmsten Fall – die Anlage abschalten konnten.

Fernwartung-Provisorisch

Auf einer Baustelle muss man manchmal etwas improvisieren. Aber Strom und Netzwerk waren bereits in der nötigen Ausbaustufe vorhanden. Das CMI – Control and Monitoring Interface – wurde über ein Netzwerkkabel mit einem Mobilfunkrouter verbunden. Damit war die Fernüberwachung und Fernwartung während des Anlagenstarts gesichert.

Gesagt, getan! Wenig später hörte man schon das zufriedene Brummen der Wärmepumpe. Nach einer kurzen Probephase, in der alle Messwerte noch einmal genau überwacht und geprüft wurden, wurde das Estrichtrocknungsprogramm gestartet.

Und dank CMI war auch aus der Ferne alles unter Kontrolle …

Onlineschema-LEO_2

Das Online-Schema der Anlage, das laufend alle kritischen Messwerte anzeigte, war über das Internet abrufbar …