PI-styrning av framledningtemperatur

[anlo]

Jag har under flera år planerat att bygga en temperaturloggning till värmepannan i mitt hus, men nu har reglercentralen gett upp så projektet har utökats och blivit högprioriterat. Det handlar om en Nibe elpanna från 1980 som dock sköter elpatronerna som den ska, så det är bara cirkulationspump och shuntmotor jag kommer att styra. Det blir en Raspberry Pi, 2.2" TFT-display med SPI-gränssnitt, DS9490R USB 1-wire master, 5 st DS18B20 (innegivare, utegivare, framledning, returledning på båda radiatorslingorna) samt ett reläkort för 230V-styrning av pump och shuntmotor.

Det största frågetecknet just nu är regleringen av framledningstemperaturen. Jag har läst om för- och nackdelar med ute- respektive innegivare och har bestämt mig för att enbart reglera utifrån innegivaren till en början. Jag har också läst att en PI-reglering räcker gott för värmesystem, men det är ändå två parametrar att justera och jag har ingen aning om var jag ska börja. Har läst om Ziegler-Nichols metod, men att ställa upp P så systemet börjar oscillera känns inte så lockande - jag vill helst ha skapligt inneklimat även under injusteringstiden. Finns det något bättre sätt att hitta rimliga startparametrar?

Just nu shuntar jag manuellt och radiatortermostaterna får reglera innetemperaturen. Jag tänker mig att man kanske kan montera bort termostaterna, vänta tills temperaturen stabiliserat sig och sedan öka framledningstemperaturen med 5 eller 10 grader och dels se hur lång tid det tar innan innetemperaturen stabiliserat sig igen och hur stor temperaturskillnad det blev. Förutsatt att vädret håller sig någorlunda konstant borde man få siffror på tidskonstanten och processförstärkningen (eller?). Är det ett vettigt tillvägagångssätt? Och hur fortsätter man att trimma parametrarna?

/Andreas

[Nerre]

Jag vet inte hur du justerar in P och I korrekt, men jag tror att uppvärmningen av ett hus är ett så pass trögt system att det är nästintill omöjligt att få en rejäl självsvängning.

Ett stegsvar (som det du beskriver) kan vara ett bra steg på vägen i alla fall. Men sen var det för länge sen jag gick i plugget så jag har glömt vad man sen gör med stegsvaret :)

Jag har för mig att av ett impulssvar kan man göra en transform för att få fram systemets formel, tror man kan göra nåt liknande från ett stegsvar.


Googlade lite snabbt och hittade lite intressant här:
http://www.drivteknik.nu/pid-regulator

De nämner Ziegler-Nichols men även flera andra metoder.

[JimmyAndersson]

Anlo:
"Det blir en Raspberry Pi, 2.2" TFT-display med SPI-gränssnitt, DS9490R USB 1-wire master, 5 st DS18B20"

Bara så det inte blir en överraskning senare:
1-wire är inte tänkt som ett "realtid-system". Det kan ta upp till ca 1 sekund innan man får svar från en sensor.
Jag använder också en Raspberry, men med I2C<-->1Wire. För att slippa sensorernas långa ID-strängar
så har jag en databas-tabell där detta sköts, så jag behöver bara ange egna namn. T.ex "till_element".
För att läsa av databasen och sensorerna så tar det totalt 4-5 sekunder, för 7st sensorer.

Allt har fungerat fint sedan jag byggde och kopplade in systemet, under hösten.
Än så länge loggar jag bara data, men jag har också planer på att styra bl.a elpatroner och shunt.
Men jag är inte helt säker på att jag tänker låta Raspberryn sköta det på egen hand.
Det är ju ändå en dator med operativsystem och en massa grejer i bakgrunden, och datorer kan krascha.
Så jag tycker att man bör ha någon form av extern extra-koll också.
Det kan vara något så enkelt som en krets som förväntar sig en puls från Raspberryn då och då.
Utan puls på ett tag så bryter den spänningen till elpatronerna.
(Det går att göra med ett tidrelä.)



Det här med om man ska gå efter innetemp eller utetemp kan bli en livlig diskussion.
Personligen så går jag aldrig ut i trädgården för att kolla om jag tycker det är kallt inne.
Trögheten i ett normalt isolerat hus gör att en hastig nedgång i utetempen ändå
förvandlas till en långsam nedgång av innetempen. Alla som loggar ute/inne-tempen kan se det.

[Icecap]

Jag har en pelletsbrännare med modulerande effekt. Moduleringen styrs med en PID-reglering men då D-faktorn är 0 (noll) är det de-facto en PI-reglering.

Min panna är ganska stor (273l) varför jag har en regleringstid på 90 sekunder.
Sedan är I-faktorn låg: 100% (1°C = 10W effekt)
P-faktorn är 7500%

I pannor med mindre volym är standard regleringstid 60 sek.

Och hastigheten är trög! Mitt trähus från 1939 tar runt 3 dygn att värma upp från 6°C till 20°C och då får brännaren tugga på med 9kW kontinuerligt.

[MiaM]

Lite funderingar:

Används samma panna även för varmvattengenerering?

Om inte så är det väl enklast att, åtminstone som akutlösning, ställa shunt på max, låta cirkpump gå på lämplig hastighet och styra on/off på elpatronerna med inomhustermostat?

Ett slags förslag som kanske mest bara rör till det:
Vad gäller vad man vill reglera/mäta/fixa/dona så kan man också titta på temperaturen på returledningen, både absolutvärdet men också skillnaden mellan fram/returledning i grader och även var returledningen hamnar i procent/andel på en skala med börvärdet på inomhustemp nedtill och framledningstemp upptill. Här har man givetvis en riktigt stor tröghet men åtminstone då temperaturerna inte rört sig nämnvärt på tillräckligt lång tid så får du en rätt bra indikation på hur mycket effekt som verkligen går ut i huset.

Om du har mekaniska termostater på elementen (vanligast) så bör avgiven effekt säga rätt mycket om vilket faktiskt behov av framledningstemperatur du har.

Det kan kanske vara intressant som övning att prova vad du får för temperatur på returvattnet om du tillfälligt reglerar in en viss fast framledningstemperatur, ställer alla mekaniska termostater på max (eller ev. tar bort dem helt ifall det inte finns nåt helt idiotsäkert "full fart"-läge) och helt slösaktigt vädrar för att få lagom inomhustemperatur. Då bör du få en siffra på vilken returledningstemperatur som ger lagom inomhustemp vid ett visst givet effektbehov och en given framledningstemperatur.

Det testet är kanske ingen höjdare att göra, så enklast kan väl vara att under en övergångsperiod köra så att framledningstemperaturen regleras efter inom/utomhustemperatur. För att långsiktigt få en ännu bättre reglering så kan det kanske vara läge att logga framlednings+returtemperatur i ett läge där du ställt de mekaniska termostaterna på max och reglerar allt med inomhustempgivare. Med mätvärden från en sådan körning så bör det gå att få rätt bra möjlighet att ha koll på exakt vilken framledningstemperatur som behövs vid en viss temperatur på returledningen, d.v.s. med andra ord kunna läsa av hur de mekaniska termostaterna reglerar.

Nån slags variant kan väl kanske vara att låta utomhustemperatur styra börvärdet för returledningstemperaturen, och sen i sin tur reglera framledningstemperaturen för att nå börvärdet på returledningstemperaturen.

OBS, som vanligt så har jag ingen jätteerfarenhet av sånthär men däremot är jag av den bestämda åsikten att det finns nån slags okänslighet hos de som tycker att reglersystem i allmänhet funkar bra...


Om jag vore dig, fast med lite mer beslutsamhet och ork än jag har, så skulle jag nog övervägt att direkt bums skaffa en tillräckligt stor luft-vattenvärmepump. Om elpannan används för att ge varmvatten så kan den givetvis få finnas kvar.

[blueint]

@Icecap, Hur många kvadratmeter hus har du? (på det värmesystemet) m²/våning?

Apropå utomhustemperatur så är poängen med att mäta den att man kan förkompensera ökat effektbehov och ta höjd för masströgheten i systemet.

[Icecap]

blueint: 73+73+73m²

[blueint]

Värmetrögt med mycket virke, betong eller tunga möbler inne?

[Icecap]

Tjock timmer, full värme i betongkällaren. Inte speciellt med möbler.

[anlo]

... jag tror att uppvärmningen av ett hus är ett så pass trögt system att det är nästintill omöjligt att få en rejäl självsvängning.
http://www.drivteknik.nu/pid-regulator

Det är sant, det kanske är svårt att få innetemperaturen att självsvänga. Däremot kanske man kan få oscillerande framledningstemperatur om man reglerar för fort, men det gör ju inte så mycket så länge innetempen inte varierar för mycket. Utmärkt länk, framförallt stegsvarsmetoden som verkar beskriva det jag tänkt mig. Även relämetoden verkar intressant.

Bara så det inte blir en överraskning senare:
1-wire är inte tänkt som ett "realtid-system". Det kan ta upp till ca 1 sekund innan man får svar från en sensor.
...
Men jag är inte helt säker på att jag tänker låta Raspberryn sköta det på egen hand.
Det är ju ändå en dator med operativsystem och en massa grejer i bakgrunden, och datorer kan krascha.
Så jag tycker att man bör ha någon form av extern extra-koll också.
Det kan vara något så enkelt som en krets som förväntar sig en puls från Raspberryn då och då.
Utan puls på ett tag så bryter den spänningen till elpatronerna.
(Det går att göra med ett tidrelä.)

OWFS har en samplingsintervall på 15 s som standard och det tror jag ska räcka. Jag ska inte reglera elpatronerna för det sköter pannan bra på egen hand. Så worst case scenario är väl att systemet hänger sig och inte ger någon värme till radiatorerna samtidigt som det är smällkallt och man är bortrest. Det hade jag tänkt lösa genom att koppla både cirkulationspump och shuntmotor på normally closed-utgångarna på reläkortet, så att den pumpar ut för mycket värme istället för ingen alls om det inte kommer någon styrsignal. Men att använda ett tidrelä var en bra idé, den kan få bryta strömmen till och eventuellt starta om Raspberryn om den hänger sig. Risken med att "rycka undan mattan" för Raspberryn är dock att man kraschar filsystemet på SD-kortet. Men i det läget kommer det ändå ut värme och det är ju viktigast.

Används samma panna även för varmvattengenerering?
...
Vad gäller vad man vill reglera/mäta/fixa/dona så kan man också titta på temperaturen på returledningen, både absolutvärdet men också skillnaden mellan fram/returledning i grader och även var returledningen hamnar i procent/andel på en skala med börvärdet på inomhustemp nedtill och framledningstemp upptill.
...
Om jag vore dig, fast med lite mer beslutsamhet och ork än jag har, så skulle jag nog övervägt att direkt bums skaffa en tillräckligt stor luft-vattenvärmepump.

Jo, pannan ger både radiatorvatten och varmvatten. Men pannan sköter elpatronerna bra, så de låter jag vara ifred. Jag har också haft idéer på att reglera utifrån returledningstemperaturen, men för tillfället tror jag mer på innegivaren. Men jag ska logga returtempen för att se om man hittar några intressanta mönster som går att utnyttja. Problemet med att installera värmepump är att mitt system kräver ganska hög framledningstemperatur, ca 55° för att hålla 21° inne med -10° och vindstilla ute. Tror det är i högsta laget för en värmepump oavsett om det är luft/vatten eller bergvärme?

[MiaM]

Som "katastrofskydd" när du är bortrest så skulle du kunna låta en enkel mekanisk rumstermostat (ställd på lägre temp än elektronikens inomhus-börvärde) via en kontaktor helt enkelt tvångsstyra så att cirkpump är påslagen och shunten går till maxläget. Om elektroniken bestämt sig för att det ska vara svinkallt så kommer det visserligen ge oönskade till/frånslag på cirkpumpen och shunten kommer åka jojo men det är väl bättre att slita dem onormalt hårt än att det blir utkylt. Om du vill kan du ju lägga på nån tidsfördröjning som gör att ifall "katastroffunktionen" gått in så fortsätter det läget att köra nån timme eller två.

Bra att du tänkt logga alla värdena. Algoritmen går ju att byta ut i framtiden, baserat på vad du loggat.

Aha. Ja, om du får tappvarmvatten från samma panna så blir det dåligt att ge sig på elpatronstyrningen.

Vad gäller värmepump och temperatur så finns väl en fulvariant och det är att installera både en luft-vatten-värmepump till ditt nuvarande värmesystem och dessutom en luft-luft-värmepump. Luft-luft-värmepumpen kostar relativt lite pengar och kan bidra med en del värme så att framledningstempbehovet minskar på ditt vattenburna system.

Men behöver du verkligen 55 grader ifall du ställer alla mekaniska termostater på max (och typ har luftat allt å sånt)? Det är väl iofs inte ovanligt att man dimensionerat så att man behöver höga temperaturer i system tänkta för el/olja. Vid olja så var man ju ändå tvungen att hålla ca 80 grader panntemp för att pannan ska fungera bäst (slitage och/eller bränselekonomi typ) och vid el är det ju bara värmeläckaget som skiljer vid olika temperatur. (Vid el så är det väl dessutom bara bra med hög temp ifall man har effektvakt, då har pannan lite 'ork' kvar en stund efter att en effektvakt slagit av).

Förresten, har du loggat elförbrukningen för ditt nuvarande system? Om inte så säger säkert elräkningarna en del om värmebehovet. Det kanske säger en del om ifall nån värmepumpgrej skulle vara vettigt.

Om det är en dum idé att köra värmepump på ditt nuvarande system så vore det väl ändå - som separat projekt - en vettig idé att skaffa en luft-luft-värmepump? Min erfarenhet är även en billig sådan ger en bra besparing ganska snabbt, framförallt på höst och vår då de uppnår hög verkningsgrad.

[blueint]

Man kan använda värmepump för att få upp framledningstemperaturen till t.ex 45 °C och pellets för att få upp den ännu mer? (tänk temperaturstege)

För felläge kanske det är värt att använda loggande filsystem på RPi:n så att den kan hantera strömavbrott eller krasch på ett säkert sätt?

[MiaM]

En temperaturstegefunktion förutsätter att returledningen har tillräckligt låg temperatur. Vad kan den ligga på vid exemplet med 55 grader framledningstemperatur?

[blueint]

Flöde: 1 liter/sekund
Specifik värmekapacivitet: 4181 joule/(kg*kelvin)
Vanligt effektbehov: 5 kW

Samband: Effekt = massflöde * specifikvärme * temperaturdiff
Formel: P = dm/dt * cp * T
Sökes: Temperaturdifferens (T)

(räknar med 1 liter vatten = 1 kg)

P = dm/dt * cp * T
5 kW = 1/1 * 4181 * T

T = 5000 / (1/1*4181) = 1,196 K

Temperaturen kommer att skilja sig 1,2 °C och returtemperaturen borde ligga på cirka 54 °C.
Få värdesiffror med tanke på oprecisa indata.

Edit: Om pumpkapaciteten försämras t.ex pga att det är trögare att trycka igenom systemet så ändras temperaturdifferensen också.

Flöde [m³/h] Diff [°C]
0,5 8,6
2,1 2,1
3,6 1,2
4,0 1,1

[anlo]

Som "katastrofskydd" när du är bortrest så skulle du kunna låta en enkel mekanisk rumstermostat (ställd på lägre temp än elektronikens inomhus-börvärde) via en kontaktor helt enkelt tvångsstyra så att cirkpump är påslagen och shunten går till maxläget.

Ingen dum idé. Jag var lite rädd för situationen att Raspberryn fortfarande är igång och drar reläerna så att ingen värme kommer ut, trots att det är för kallt inne. Att parallellkoppla matningen till cirkulationspump och shuntmotor via en rumstermostat borde ta hand om det problemet.

Shuntmotorn är tvåpunktsstyrd, för att öppna shunten lägger man på 230 V och långsamt, långsamt öppnas shuntventilen. När man kommit upp i rätt framledningstemperatur bryter man strömmen och en returfjäder trycker lika sakta tillbaka shuntventilen så den stängs. Med tanke på fördröjningen mellan höjd framledningstemperatur och innetemperatur kommer shunten att öppna fullt och ge 70-80° ut till radiatorerna tills rumstemperaturen kommit upp till 15° eller vad termostaten är inställd på. Då kommer shunten att stängas helt och inte ge någon värme alls tills rumstemperaturen sjunkit under inställt värde. Ganska bra för att vara en nödfunktion.

Dock behöver man nog en tvåpolig rumstermostat, så att cirkulationpump och shuntmotor inte är sammankopplade när termostaten är öppen. Om det gällt likström hade jag kopplat enligt nedan, finns det något liknande trick för växelström?

Nödkoppling.png

Men behöver du verkligen 55 grader ifall du ställer alla mekaniska termostater på max (och typ har luftat allt å sånt)?
...
Förresten, har du loggat elförbrukningen för ditt nuvarande system? Om inte så säger säkert elräkningarna en del om värmebehovet. Det kanske säger en del om ifall nån värmepumpgrej skulle vara vettigt.

Jo, det verkar som det behövs så hög framledningstemperatur. Termostaterna på övervåningen var nedställda för annars blev det för varmt där. Men på bottenvåningen var alla termostater bortmonterade, alla radiatorer luftade och alla termostatventiler motionerade så de öppnade fullt. Samtliga radiatorer nere var rejält varma eftersom det gick 55° vatten ut till dem och returledningen låg på 45°. Cirkulationspumpen var ställd på läge 2 av 3.

Jag har inte loggat elförbrukningen på enbart pannan, men vi förbrukar omkring 23 MWh/år totalt inklusive hushållsel och varmvatten (två vuxna och två småbarn). Huset är en 1,5-plansvilla från 1980 på 151 m². Jag tycker inte elförbrukningen är alltför illa, men har funderat på en luft/luft-pump till och från. Dock är det tveksamt om det kommer att ge någon större besparing eftersom vi förmodligen kommer att använda den till kyla på sommaren...