Fűtsünk PID-del

Talán egyetértünk abban, hogy a meleg környezeti hőmérsékletet minden évszakban szeretjük, még akkor is, ha időnként hidegebb vidékekre látogatunk pl. síelni. Nyáron hellyel-közzel adott a meleg idő a lakásban is, hiszen mégiscsak hosszabbak a nappalok és több a napsütéses órák száma. Szeptembertől akár májusig is eltarthat viszont az az időszak, amikor már be kell indítani a fűtési rendszert, mert jólesik egy kis kellemes meleg a reggeli ébredésnél vagy az esti vacsoránál és van úgy, hogy napközben is. Aztán előbb-utóbb beköszöntenek a hidegebb idők, amikor már szinte folyamatos a lakásunk fűtési igénye. A kellemes hőérzet biztosítását a még sok vegyes tüzelésű kazán, hűtő/fűtő klímák, a ritkább hőszivattyús és más modern megoldások mellett nagyon sok épületben kondenzációs gázkazánnal oldják meg. 

A gázkazánok között is találhatók nagyon modern és sokat tudó, pl. külső modulációs szabályozással is működő (nem keverendő a kazán belső működését szabályzó láng modulációval), nagyon precíz, pontosan szabályzó készülékek de kissé borsos áruk miatt gyakoribb és elterjedtebb a szintén modern, de kívülről csupán kétállásos módszerrel szabályozható típusok. A külső beavatkozáshoz ezeknél a kazánoknál elegendő akár egy darab egyszerű bimetálos szobatermosztát is. A lényeg, hogy legyen hőmérsékletérzékelés és potenciálmentes kontaktus a kimeneten. Természetesen az igények itt ritkán állnak meg, komfortosabb és pontosabb egy napi/heti ütemterv szerint programozható digitális szobatermosztát, szintén relé kimenettel, hiszen így tudjuk egyedül indítani és leállítani a kazánt. A digitális szobatermosztátok többségénél, - akár a sok „okosság” mellett - a kétállásos szabályozás lehetősége is biztosított, beállítható hiszterézissel, melynek minimuma tipikusan 0,5 °C, de léteznek már ennél alacsonyabb értékre állítható típusok is. A hiszterézis, mint reakciókésedelem szól bele a szabályozásba azzal, hogy a termosztáton beállított hőmérsékleti alapjelhez hozzáadódva és kivonódva meghatározza a be- és kikapcsolási szinteket. A kétállásos szabályzók hiszterézisére egyébként szükség is van, hogy elkerüljük a hőforrás, zónaszelep vagy zónaszivattyú szükségtelenül sűrű kapcsolgatását.

A kétállásos szabályozás mellett sokféle szabályozási lehetőség létezik. A bonyolultabbak között az egyik legelterjedtebb az úgynevezett PID szabályozás (PID = Proporcionális - Integráló - Deriváló), illetve az öntanuló PID vagy IQ-nak is nevezett szabályozás vagy az újabb TPI szabályozás (TPI = Time Proportional & Integral - időarányos és integráló). Jó hír, hogy ezekkel a módszerekkel már szobatermosztátokban is találkozhatunk. A következőkben bemutatjuk az EFAPEL 21235 cikkszámú digitális szobatermosztátját, mely a régebbi, már megszűnt 21232 típus helyett is használható.

A 21235 szobatermosztát jellemzői és bekötése

A 21235 cikkszámú szobatermosztát technikai jellemzőit a letölthető magyar nyelvű használati és programozási útmutató tartalmazza, ezért itt csak kivonatosan soroljuk fel. A termosztát mechanikai felépítése, rögzítése a mec21 mechanizmus családnál megszokottak szerinti, beleértve, hogy több színben kapható előlapja (cikkszám: 90748 Txx - xx a szín kódjának helye) és kerete (sorolható is) a LOGUS⁹⁰ dizájnhoz illeszkedik. A mechanizmus fotója és a termosztát bekötése az első ábrán látható. Az ábra alsó részében a felszerelés helyének megválasztásához kaphatunk segítséget.

A tápfeszültségen kívül csupán a működtetett készüléket kell bekötni a kimeneti relé potenciálmentes záró kontaktusára. Ez lehet kazán, szivattyú, zónaszelep, elektromos fűtés, stb.. A modul jobb felső sarkán található két bekötési pontra a padlóérzékelő csatlakoztatható, de nem kötelező természetesen. Padlóérzékelőként a TC vagy TZ típusú 12 kΩ/25 °C alapértékű NTC termisztor használható.

A menüben választható a figyelni kívánt érzékelő:

• Csak a környezeti (belső) hőmérsékletérzékelő
• Csak a padlóérzékelő
• Mindkettő

Néhány technikai alapparaméter:

• Fűtési/hűtési rendszerek kézi vagy automatikus vezérlése az előre programozott hőmérséklet napi/heti ütemtervének megfelelően 
• Beállítható napi 7 periódus/program 
• Tápfeszültség: 100 - 240 V ~ - 50/60 Hz; 
• Kimeneti relé: 1x NO, 16 A (cosφ = 1) 
• Csatlakoztatható külső padló hőmérsékletérzékelő (TC/TZ) 
• Hőmérsékletmérés: belső, külső vagy mindkét érzékelővel 
• Üzemi hőmérséklet: -10 °C .. + 45 °C között 
• Hőmérséklet leolvasási tartomány: -9 °C és +35 °C között 
• Hőmérséklet-szabályozás pontossága: 0,5 °C; 
• Fogyasztás háttérvilágítással <350 mW 
• Fogyasztás háttérvilágítás nélkül <100 mW

Hogyan szabályoz a 21235 szobatermosztát?

A menüben természetesen kiválasztható, hogy fűtésre vagy hűtésre szeretnénk használni a termosztátot, valamint az is, hogy hidraulikus vagy elektromos rendszerhez optimalizálva. A szokásos kétállásos ON/OFF szabályozáson kívül kiválasztható egy gyárilag Feedback (visszacsatolt) elnevezésű, tulajdonképpen PID szabályozási mód is.

A következő ábrán a kétállásos ON/OFF szabályozás működési diagramja látható, melyen azonnal feltűnhet, hogy nem a szokásos hiszterézissel kapcsoló diagramot látjuk, ahol a beállított hőmérséklet ± hiszterézis határértékek között kapcsol a kimeneti relé. Itt egy differenciál hőmérséklet adható meg 0,5 °C - 3,0 °C tartományban. Ha jobban átgondoljuk, akkor belátható, hogy tulajdonképpen hiszterézissel működik, csak a beállításnál kell ügyelni arra, hogy a beállított hőmérséklet a kapcsolás felső határa és a beállított mínusz differencia hőmérséklet a kapcsolás alsó határa. Ennek megfelelően - hiszterézisben gondolkodva -, 0,5 °C differencia beállításnál végül is 0,25 °C a hiszterézis a beállított mínusz 0,25 °C alapjelhez képest. 

A működés az ábra szerinti jelölésekkel a szokásos:

A.) T₀ - T_diff érték alatt a kimeneti relé bekapcsol
B.) T₀ elérésekor a kimeneti relé kikapcsol

PID szabályozás választásával finomítható a rendszer működése azzal, hogy bizonyos szinten kiküszöböli a kétállásos szabályozásból és a rendszer tehetetlenségéből származó kilengéseket, melynek köszönhetően egyenletesebb lesz a szoba fűtése, kellemesebb a hőérzet. A működési diagram az utolsó ábrán látható.

A szabályozás folyamata egy belső algoritmus szerint zajlik a kimeneti relé kapcsolgatásával oly módon, hogy amikor nagyon alacsony a szoba hőmérséklete (fűtésnél), akkor a relé állandóan bekapcsolva van és a fűtés teljes gőzzel üzemel (1). Amikor a szoba hőmérséklete eléri a T₀ beállított mínusz T_diff differencia értéket (2), akkor a kimeneti relé kikapcsol, a termosztát kivárja a rendszer tehetetlenségéből adódó további hőmérsékletnövekedést, majd a belső PID algoritmus által szabályozva PWM, azaz impulzusszélesség modulációval kacsolgatja a relét. Közelítve a beállított hőmérsékletet egyre rövidebb ideig kapcsol be a relé (a fűtés), melynek az lesz a hatása, hogy a szoba hőmérséklete egyre pontosabban éri el a beállított szintet (3). Visszafelé hasonló a helyzet (4), ugyanis ahogy elkezd csökkenni a szoba hőmérséklete, a fűtés elkezd rövid időkre bekapcsolni. Ha ez elég a beállított szintre való felfűtéshez, akkor ez a folyamat lesz meghatározó a szabályozásban, hiszen nincs szükség a folyamatos fűtésre. Ha a rendszer nem képes a rövid idejű ráfűtésekkel felfűteni a szobát, akkor egyre hosszabb ideig megy a fűtés. Ha ez sem elég, akkor a T₀ minusz T_diff  alatt folyamatosan bekapcsol a relé és a fűtés.

A PID szabályozás közül nem állíthatók pl. az integrálás és a differenciálhányados számítás idő paraméterei és más sem, ami nem feltétlen hátrány, hiszen nem mindenki tud PID szabályozást beállítani. A gyári algoritmus a maga fix, „tanult” és tárolt értékeivel bizonyára elegendő szobahőmérséklet szabályozásához, hiszen erre találták ki.

Figyelem! A bemutatott megoldások elvi kapcsolási rajzokkal vannak illusztrálva, melyekben a többszöri ellenőrzés vagy műhely körülmények közötti tesztek ellenére is lehetnek hibák. Adott feladatra való alkalmasságuk ellenőrzése, esetleges módosítása a telepítő feladata és felelőssége! A szerző és a cég nem vállal felelősséget a bemutatott elvi megoldások felhasználásából eredő károkkal és egyéb problémákkal kapcsolatban. A rajzokon látható vezetékek színei csak a könnyebb átláthatóságot segítik, nem feltétlenül egyeznek meg a szabványos vezetékezés színeivel!