Reklama

Popis prvků polní instrumentace využívaných v praktických aplikacích pro řízení technologií vytápění

10.10.2011

Ing. Václav Matz, Ph.D.

Recenzovaný

Tento článek je zaměřen na přehled nejčastěji používaných prvků polní instrumentace, které se využívají v systémech vytápění, klimatizace, vzduchotechniky a chlazení. Detailněji byly popsány technologické snímače, spínače, ventily, pohony a frekvenční měniče.

Reklama

Úvod

Po kratší době jsem byl opět vyzván k sepsání článku, s odbornější a zároveň obecnou tématikou, který by se věnoval problematice „inteligentních“ budov. Přiznám se, že nad nosným tématem tohoto článku jsem dlouhou dobu přemýšlel, protože všechny dříve mnou prezentované články, již v podstatě uvedly obecné principy, technologie, komponenty a prvky, jež se používají v dnešních moderních budovách.

Je pravdou, že se žádný z článků nezabýval teoretickými principy nýbrž výhradně praktickými aplikacemi a vlastní tématika byla založena spíše na myšlence „jak to chodí v moderních budovách“. Abych toto nepsané pravidlo porušil, zaměřím se v tomto článku více specificky na prvky polní instrumentace, které se používají v kotelnách, vzduchotechnických jednotkách a jednotkách pro řízení proudění vzduchu. Cílem tohoto článku není popsat fyzikální principy snímačů, ale poskytnout čtenáři přehled systémů polní instrumentace, které se v technologiích HVAC v současných budovách nejčastěji používají.

Obr. 1: Hierarchická struktura systémů automatizace budov

Prvky polní instrumentace

Doposud mnou uvedené články byly zaměřené na systémy automatizace budov, uváděly obecné principy a systémy, které se v moderních budovách využívají pro řízení různých technologií. Pokud bychom stručně shrnuli všechny doposud prezentované články, tak jsme volně prošli od problematiky komunikačních protokolů až po softwarové nástroje, které se používají pro programování kontrolérů.

Dozvěděli jsme se, jakým způsobem mezi sebou komunikují různé systémy, jak si jednotlivé technologie předávají data, jakým způsobem je možné vytvořit řídicí strategie a nakonec jakým způsobem je možné vytvořit grafickou reprezentaci řízené budovy. Toto vše je velice pěkné a v současné době čím dál více využívané, nicméně jsem zjistil, že jsem neuvedl některé základní informace.

Mezi tyto základní informace je nutné zařadit popis a přehled prvků, které jsou nejčastěji v bezprostředním kontaktu s danou technologií a slouží pro snímání potřebných veličin. Tyto prvky se v oblasti automatizace budov nazývají prvky polní instrumentace. Co to ovšem polní instrumentace znamená?

Ve své praxi jsem se již několikrát setkal buď s absolutní neznalostí pojmu „polní instrumentace“ nebo s nesprávným výkladem. Po prvním přečtení názvu „polní instrumentace“ si téměř každý představí pole orné půdy a nářadí, které se pro údržbu tohoto pole používají. Ač to tak nevypadá, myšlenka je to v podstatě správná, avšak je nutné myšlenku transformovat do oblasti automatizace budov.

Provedeme-li hlubší úvahu a přirovnáme-li nářadím udržované pole orné půdy k technologiím používaným pro vytápění, větrání, klimatizaci a chlazení (HVAC) v moderních budovách můžeme jednoznačně říci, že jako pole orné půdy je možné považovat systémy HVAC (např. tedy vzduchotechnické jednotky, chladicí zařízení, jednotky pro řízení proudění vzduchu apod.) a jako nářadí je možné označit technologické snímače a spínače (teploty, tlaku, napětí, proudu, atd.), ventily, pohony a frekvenční měniče. V anglické literatuře se prvky polní instrumentace označují pod pojmem „field devices“. Český název vznikl tedy přenesením z anglického pojmenování.

Abychom prvky polní instrumentace správně zařadili, vrátíme se k již prezentované hierarchické struktuře systémů automatizace budov (uvedené v předchozím článku „Softwarové nástroje využívané v systémech automatizace budov - programovací nástroje, grafické centrály“) uvedené na obr. 1. Prvky polní instrumentace se zde nacházejí na nejnižší úrovni této hierarchické struktury a odborně řečeno slouží pro snímání fyzikálních veličin, spínání koncových prvků (čerpadel, ventilátorů apod.) a nejčastěji převádějí měřené veličiny na elektrický signál, který je následně zaznamenáván v kontroléru. Abychom si jednotlivé prvky popsali, pojďme se na ně podívat trošku z blízka. Vzhledem k tomu, že se v různých technologiích HVAC využívají nejvíce teplotní snímače, bude jim věnována největší pozornost.

1. Technologické snímače

Mezi technologické snímače je možné zařadit snímače teploty, tlaku, tlakové diference, oxidu uhličitého, spalin a solární snímače. Dále je možné tyto typy snímačů rozdělit dle jejich využití. Výstupy technologických snímačů se připojují na analogové vstupy vstupně/výstupních modulů. Analogové vstupy nejčastěji zaznamenávají měřený odpor (teplotní snímače, detektory CO₂), napětí a proud (tlakové snímače, solární snímače).

Obr. 2: Snímače teploty

Snímače teploty - snímačů teploty existuje celá řada, a pokud se zaměříme výhradně na systémy HVAC, využívají se především snímače venkovní teploty, snímače teploty do vzduchotechnického kanálu, snímače do vzduchotechniky, průměrovací teplotní snímače (s větším počtem měřených míst a následného zprůměrování změřených hodnot) a teplotní snímače kombinované (měření teploty a relativní vlhkosti). Technologické snímače teploty se většinou dále dělí dle jejich provedení. Nejčastěji se využívají teplotní snímače jímkové, s kapilárou, příložné a nástěnné. Výběr vhodného typu snímače vždy závisí na technologii vytápění a umístění tohoto snímače v rámci dané technologie. Je patrné, že například teplotní snímače příložné se budou hodit pro měření teploty topné vody. Teplotní snímač se totiž díky jednoduché montáži pouze přiloží (teplotní element musí být v co nejlepším kontaktu s potrubím) na potrubí a zafixuje. Zajímavou a často kladenou otázkou také je, jaké typy teplotních elementů se v teplotních snímačích využívají? V systémech HVAC se nejčastěji využívají termistory NTC, tedy termistory, u nichž se odpor s rostoucí teplotou exponenciálně zmenšuje (tzv. snímač se záporným teplotním součinitelem odporu). V současných aplikacích se nejvíce používají termistory s označením NTC 20k, tedy snímač s odporem 20 kΩ při referenční teplotě 25 ºC. Tyto termistory jsou vysoce citlivé, teplotně stabilní a poměrně levné. Ve speciálních případech se používají také jiné teplotní elementy (Pt100, Pt1000, NTC 10 kΩ atd. ...), nicméně v aplikacích HVAC jsou zmíněné NTC nejpoužívanější.
Obr. 3: Snímače tlaku

Snímače tlaku a tlakové diference - tyto snímače se využívají pro měření relativního tlaku v uzavřené soustavě, která je nejčastěji protékána kapalinami, vzduchem nebo technickými plyny. Volba vhodného snímače tlaku opět závisí na použité technologii. V případě snímačů tlakové diference se používají dva tlakové vstupy a diferenční tlak je vyhodnocován například piezo-odporovým převodníkem tlaku připojeným k tenké membráně z monokrystalu křemíku, která se v závislosti na tlakovém rozdílu vychyluje. Výstupem ze snímačů tlaku je nejčastěji elektrický signál prezentovaný ve formě elektrického napětí (v rozsahu 0 - 10 V) nebo elektrický proud (v rozsahu 0 - 20 mA nebo 4 - 20 mA). Elektrický signál je pak prostřednictvím vodičů přiveden na vstup do modulu obsahující analogové vstupy s odpovídajícím rozsahem. Pokročilé snímače tlaku obsahují elektronický displej a měřenou hodnotu tlaku na něm přímo zobrazují.
Obr. 4: Snímač CO₂

Snímače oxidu uhličitého - tyto snímače využívají vlastnosti oxidu uhličitého absorbovat infračervené záření. Snímací čidlo pracuje na principu měření intenzity infračerveného záření vysílaného referenčním zdrojem a dopadajícího na detektor. Tato intenzita je závislá na koncentraci CO₂ ve vzduchu. Snímače CO₂ se nejčastěji používají ve vzduchotechnických jednotkách a dále pak jako nástěnné moduly pro měření přítomnosti CO₂ v prostoru.
Solární snímače - tyto snímače se velice často označují jako snímače intenzity slunečního záření. Solární snímače se nejčastěji umísťují do místností, kde snímají intenzitu dopadajícího záření, ze které se pak v kontroléru určí, kolik tepla je potřeba pro vyhřátí daného prostoru. Výstup (nejčastěji napěťový) těchto snímačů je vždy vstupem do řídicí strategie naprogramované v kontroléru.

2. Technologické spínače

Technologické spínače slouží pro srovnání měřené veličiny s nastavenou úrovní stejné veličiny. Při překročení měřené hodnoty přes nastavenou úroveň pak dochází k sepnutí nebo rozepnutí pomocného kontaktu, který je součástí technologického spínače. Z tohoto vyplývá, že výstupy z technologických spínačů se nejčastěji připojují na digitální vstupy vstupně/výstupních modulů. Sepnutím kontaktu na technologickém spínači získává regulátor a implementovaná řídicí strategie informaci o nějaké události. Tyto vstupy se nejčastěji používají jako informativní nebo alarmové.

Obr. 5: Termostat

Termostaty - jsou zařízení, u kterých dojde k sepnutí nebo rozepnutí kontaktu v případě, že daná teplota překročí nastavenou hodnotu nebo poklesne pod definovanou mez. Prostorové termostaty se používají jako nástěnné moduly pro hlídání tepelné pohody v prostoru. Technologické termostaty jsou nejčastěji umístěné na potrubí (v jímce nebo přiložením) a sledují teplotu média v potrubí. Na základě sepnutí/rozepnutí pomocného kontaktu technologického termostatu je pak vydán signál pro vytápění nebo chlazení daného prostoru. Velmi často se termostaty používají jako protimrazová ochrana, kde hlídají, zda teplota vody v potrubí neklesla pod stanovanou mez a případně vyvolají pokyn pro spuštění vytápění. Termostaty protimrazové ochrany fungují převážně jako bezpečností a jejich hlavní funkcí je ochrana technologie před zamrznutím.
Manostaty - spínače tlaku, slouží pro sledování překročení nebo poklesu měřeného tlaku, který je snímán v dané technologii v uzavřených nádobách nebo potrubí, nad nebo pod nastavenou hodnotu. Výstupem je opět sepnutí nebo rozepnutí pomocného kontaktu, který následně slouží jako vstupní informace pro řídicí strategii a ochranu dané technologie. V systémech HVAC je hlídání překročení tlaku velice důležité, a proto se zde manostaty velice často používají.
Hygrostat - je přístroj, který spíná nebo reguluje v závislosti na měřené vlhkosti. Podle nastavené hodnoty vlhkosti přístroj sepne nebo rozepne svůj kontakt. Hygrostaty se opět používají jako bezpečnostní zařízení, které podávají informaci o nechtěné vlhkosti ve svém okolí. Využití nacházejí v aplikacích pro zvlhčování, odvlhčování nebo vytápění místností, prostorů, skladů, archivů, v sušičkách, strojích a přístrojích, v rozvaděčích apod.

Obr. 6: Ventil s pohonem

3. Ventily a pohony

V dnešní době jsou ventily a pohony pár, který je dodáván společně. Ventily slouží pro řízení průtoku média a pohony, které jsou nasazeny na ventilech, pak slouží k jejich ovládání. Vstupem do pohonu je nejčastěji elektrický signál, který je prostřednictvím převodového mechanismu převáděn na pohyb ventilu. Pohony se tedy výlučně připojují na analogové nebo digitální výstupy vstupně/výstupních modulů připojených ke kontrolérům. Ventily a pohony jsou označovány za akční členy a reagují na vstupní informace získané ze snímačů nebo spínačů.

Obr. 7: Ventily

Ventily - jsou mechanická zařízení regulující průtok tekutin (plynů, zkapalněných tuhých látek, kalů a kapalin). Obecně, princip ventilů spočívá v otevírání nebo uzavírání potrubí a následně pak distribuci daného (ve vytápění teplonosného) média do otopné nebo chladicí soustavy. Princip ventilů a jejich využití není třeba detailně popisovat. V systémech HVAC se v podstatě používají dva typy ventilů - dvoucestné a trojcestné. Dvoucestné ventily se nejčastěji používají jako uzavírací a zamezují proudění média do soustavy. Trojcestné ventily se dále dělí na rozdělovací a směšovací. Rozdělovací ventily, dle svého pojmenování, slouží pro rozdělení média a následné distribuci do dalších dvou distribučních soustav. Vzhledem k tomu, že jde o trojcestné ventily, mají rozdělovací ventily jedno vstupní připojení a dvě výstupní. Oproti tomu směšovací ventily mají vstupy dva (v systémech vytápění je nejčastěji vstupem teplá a studená voda) a jeden výstup. Z výstupu těchto ventilů pak proudí médium, které je poměrovou kombinací obou vstupů - dle natočení kuželky ventilu. Nejčastěji se můžeme setkat s ventily lineárními a rotačními. Lineární ventily obsahují kuželku, která se pohybuje lineárně v závislosti na působení síly pohonu na dřík kuželky. Rotační ventily obsahují kuželku, která rotuje v těle ventilu.
Obr. 8: Pohony

Pohony - slouží pro ovládání dvoucestných a třícestných ventilů. Podle toho, jakým způsobem je nutné ventily ovládat, dělí se také pohony na lineární a rotační. Lineární pohony obsahují element, který v závislosti na vstupním napětí působí (tlačí) na kuželku lineárního ventilu. V závislosti na přivedeném vstupním napětí do lineárního pohonu, který je nasazen na ventilu, pak dochází k uzavírání nebo otevírání potrubí a následně pak omezování průtoku média. Rotační pohony obsahují nejčastěji motorek, který otáčí hřídelkou ventilu a určuje tak velikost průtoku skrze ventil. Ovládání pohonů je nejčastěji spojité, dvoubodové a tříbodové. Spojité ovládání pohonu závisí na velikosti přivedeného napětí a kuželka ventilu je pak řízena lineárně a může zaujmout jakoukoliv polohu ve svém pracovním rozsahu. Naproti tomu, u dvoubodového ovládání, dochází pouze k plnému otevření nebo uzavření ventilu v závislosti na přivedeném vstupním napájení. Tyto typy pohonů se pak vyrábějí s označením NO (bez napětí otevřeno) nebo NC (bez napětí uzavřeno). To ovšem znamená, že pro udržení otevřeného ventilu u typu NC nebo zavřeného ventilu u typu NO je nutné pohony napájet. Z energetického hlediska je tento pohon nevhodný a lze jej nahradit pohonem s tříbodovým řízením. Tyto pohony obsahují tři vstupní kontakty, jeden je společný a druhé dva pak slouží pro ovládání pohonu na jednu a druhou stranu a tím také pro uzavření a otevření ventilu.

Obr. 9: Frekvenční měniče

4. Frekvenční měniče

Tato zařízení se používají pro ovládání motorů, které se nacházejí například v čerpadlech nebo ventilátorech. Frekvenční měniče se připojují mezi přívodní napájecí napětí a motor a slouží pro plynulé řízení otáček motorů změnou frekvence napájecího napětí. Díky řízení otáček motorů pak dochází ke značné úspoře energie, kterou je jinak nutné vynaložit na rozběh motoru. Frekvenční měniče tedy mají významný vliv i z hlediska finančního. V systémech HVAC mají frekvenční měniče své pevné postavení např. v následujících aplikacích: ventilátory, čerpadla, tepelná čerpadla, chladicí věže, chladiče a všechna zařízení, která využívají motorů se střídavým napájením. Frekvenční měniče již nejsou pouze samostatné zařízení a obsahují také vstupy a výstupy, které je možné použít pro vzdálené řízení, připojení termistoru pro sledování přehřátí motoru, připojení snímače tlaku a dalších aktivních prvků apod. Výstupem pak může být informace o stavu motoru a frekvenčního měniče, spínání připojených podružných zařízení a ovládání dalších motorů, které mohou být připojeny do kaskády.

Závěr

Z uvedeného přehledu prvků polní instrumentace vyplývá, že tyto prvky jsou stěžejními zařízeními požívanými v systémech HVAC. Musím podotknout, že jsem zdaleka neuvedl všechny prvky. Neopomněl jsem je záměrně, ale dle plánovaného rozsahu článku jsem je musel vypustit. Jedná se např. o tyto prvky: klapkové pohony, motýlové klapky, měřiče průtoku, měřiče spotřeby tepla a další převodníky fyzikálních veličin. Uvedené prvky polní instrumentace se používají téměř ve všech systémech vytápění, klimatizace, vzduchotechniky a chlazení. Všechny prvky se připojují na vstupy a výstupy kontrolérů, které obsahují naprogramovanou řídicí strategii a ovládají tak danou technologii v budově. Závěrem ještě uvedu, které prvky se v jakých systémech HVAC nejčastěji používají:

Systémy dálkového vytápění - teplotní snímače a spínače, rotační a lineární ventily s pohony a frekvenční měniče.

Systémy lokálního vytápění - teplotní snímače a spínače, rotační a lineární ventily s pohony, snímače průtoku a frekvenční měniče.

Vzduchotechnické jednotky - teplotní snímače a spínače, tlakové snímače a spínače, hygrostaty, ventily pro chlazení a vytápění, klapkové pohony a frekvenční měniče.

English Synopsis

Description of field devices used in practical applications for heating control

This paper describes the brief overview of field devices used in heating, ventilation, airconditioning and cooling. The description of sensors, switches, valves, actuators and frequency inverters was presented in detail.