Module
Das Ziel dieses Projekts ist es eine Simulationsumgebung zu schaffen, in der die Wärmepumpen-Steuerung entwickelt und getestet werden kann, ohne die realen Aktoren und Sensoren dabei zu verwenden. Um das zu erreichen, müssen die einzelnen Module das Verhalten der realen Aktoren und Sensoren, welche sie emulieren, so gut wie möglich nachstellen.
Nachfolgend wird gezeigt, welche Module im Zuge dieses Projekts realisiert wurden und beschrieben welche realen Komponenten die einzelnen Module emulieren und wie sich diese verhalten. Wie die einzelnen Module tatsächlich realisiert wurden, wird unter dem Punkt Hardware beschrieben.
Die Module können in beliebiger Anzahl mit der Steuereinheit verbunden werden, womit ein beliebiges Zusammenstellen eines Testsystems ermöglicht wird.
Temperaturfühler
Alle Temperaturen werden mit Temperaturfühler vom Typ NTC 20 gemessen. Dabei handelt es sich um einen temperaturabhängigen Widerstand, welcher einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, was bedeutet, dass er bei höheren Temperaturen besser leitet als bei niedrigen.
Das Temperaturfühler-Modul simuliert dieses Verhalten, indem es einen konfigurierbaren Widerstand realisiert, der sich abhängig von der eingestellten Temperatur ähnlich zu dem realen Fühler einstellt.
Drucktransmitter
Neben der Temperatur wird auch der Druck an verschiedensten Stellen im System gemessen. Dabei liefern die Drucksensoren, abhängig vom anliegenden Druck, ein Ausgangssignal zwischen 0 und 5 Volt. D.h. das Drucktransmitter-Modul liefert genau wie die realen Sensoren, abhängig vom vorgegebenen Druck der Teststeuerung, eine Ausgangsspannung zwischen 0 und 5 Volt.
230 Volt Ausgänge
Der Regler verfügt über mehrere Ausgänge mit einer Spannung von 230V, um beispielsweise Heizkreispumpen oder den Frequenzumrichter mit Spannung zu versorgen. Diese Ausgänge sollen überwacht und deren Status aufgezeichnet werden. Dazu werden am 230V-Ausgänge-Modul mehrere Eingänge realisiert, an denen erkannt wird ob aktuell eine Spannung anliegt oder nicht. Diese Signale werden für die weitere Verarbeitung in Software aufbereitet.
Frequenzumrichter
Die modernen Wärmepumpen verfügen zumeist über einen Frequenzumrichter, mit dem sich die Leistung stufenlos regeln lässt. Dieser Frequenzumrichter verfügt über eine digitale Schnittstelle die physikalisch meistens auf RS485 basiert und als Protokoll Modbus verwendet. Abhängig vom Typ wird ein Befehlsregister zum Starten bzw. Stoppen des Verdichters beschrieben und die dazugehörige Drehzahl. Der Frequenzumrichter stellt zusätzliche Informationen über Zwischenkreisspannung, Spannung pro Phase, Leistungs- oder Stromaufnahme bereit. Zusätzlich sollte dieses Modul einen 230V Eingang besitzen, um zu überprüfen ob der Frequenzumrichter mit Strom versorgt wird.
Um dieses Verhalten am Frequenzumrichter-Moduls nachzustellen, wird die Schnittstelle zur Wärmepumpen-Steuerung zur Verfügung gestellt, ein 230V Eingang bereitgestellt und das sonstige Verhalten des Frequenzumrichters in Software abgebildet.
Expansionsventile
Die Zieltemperatur wird mit Hilfe eines elektrischen Expansionsventils gesteuert, welches sich wie ein Schrittmotor verhält. Die Anzahl der Schritte ist dabei abhängig vom Typ und es sind unipolare sowie bipolare Schrittmotoren möglich.
Dabei wird ein Expansionsventil über vier Leitungen gesteuert, welche von der Steuerung auf Masse gezogen werden. Die Kombination dieser vier Leitungen gibt an, in welche Richtung sich der Schrittmotor dreht und ob es sich um Voll- oder Halbschritte handelt.
Das Expansionsventil-Modul muss sich nun genau so verhalten, indem es die gleichen Anschlüsse bereitstellt und ähnlich viel Leistung beim Ansteuern verbraucht, wie die realen Ventile.
Damit die emulierte Bewegung des Schrittmotors vom Modul auch aufgezeichnet werden kann, müssen alle vier Steuerleitungen überwacht werden, damit diese dann in der Software ausgewertet werden können.
Durchflusssensoren
Um die abgegebene Wärmeleistung oder die gezapfte Warmwassermenge zu ermitteln, wird neben den Temperaturen auch der Durchfluss gemessen. Hierbei gibt es zwei verschiedene Messprinzipien, eines ermittelt induktiv den Durchfluss und gibt eine Spannung aus, das andere verwendet ein Piezoelement und liefert Impulse.
Für das Durchflusssensor-Modul bedeutet dies, dass es je nach eingestelltem Durchfluss, vorgegeben durch die Test-Steuerung, die entsprechende Spannung bzw. das entsprechende Impuls-Muster ausgegeben werden muss. Je höher der gemessene Durchfluss ist, desto höher ist die Ausgangsspannung bzw. desto größer ist die Impulsfrequenz.
Da sich in den realen Systemen Durchflusssensoren beider Typen wiederfinden, werden auf einem Durchflusssensor-Modul auch beide Varianten realisiert.
Potentialfreie Kontakte
Die Potentialfreien Kontakte werden verwendet, um beispielsweise die Maschine vom Energieversorger deaktivieren zu lassen (EVU Sperre), oder um den Verdichter bei Überschreitung des Maximaldrucks auszuschalten.
Für das entsprechende Modul bedeutet dies, dass es über Ausgänge verfügen muss, mit denen das Ein- bzw. Ausschalten dieser Maschinen/Komponenten emuliert werden kann. Dazu müssen diese Ausgänge im Stande sein, die geforderten Spannungen (230V oder 24V) schalten zu können.
PWM und 0-10 Volt Ausgänge
Das System verwendet PWM oder 0 bis 10V Signale, um die Drehzahl der Umwälzpumpen oder der Energiequelle zu regeln.
Das entsprechende Modul muss es nun ermöglichen diese Signale aufzeichnen und auswerten zu können. Dabei werden auf einem Modul mehrere Eingänge für die PWM bzw. 0-10V Signale bereitgestellt, welche die Signale für die weitere Verarbeitung aufbereiten.
UI