Control and monitoring of a BTES-system

(1)

EXAMENS ARBETE

Elektroingenjör 180 hp

Control and monitoring of a BTES-system

Patrik Fjordestam och Sebastian Hansen

(2)

(3)

F¨ orord

Denna rapport är resultatet utav ett examensarbete som utfördes hösterminen 2015 p˚a Halmstad Högskola. Examensarbetet ing˚ar i högskoleingenjörsutbildningen med inrikt- ning elektronik p˚a Högskolan i Halmstad.

Vi vill tacka Kenneth Nilsson för handledning under projektets g˚ang. Vi vill ocks˚a tacka Flemming Wagner p˚a ASV Solar AS som har gjort detta projektet möjligt samt för den hjälp vi f˚att under arbetet.

(4)

(5)

Sammanfattning

Under sommaren produceras överbliven energi fr˚an solvärmare, denna tas inte omhand utan g˚ar oftast till spillo. Projektets grund bygger p˚a att ta den överblivna energin under de varmaste m˚anaderna p˚a sommaren och spara undan energin i borrh˚al i marken, för att sedan under kallare m˚anader kunna använda detta.

Syftet med projektet har varit att bygga en prototyp för styrning och övervakning av ett system. Med detta projekt vill vi visa en lösning p˚a en prototyp som kan fungera som utvecklingsplattform för beställaren.

Kommunikation mellan aktuatorer, sensorer och styrenhet görs via en CAN-buss. Tem- peraturensorernas använder sig av en One-wire buss och dess värden sparas och kan avläsas p˚a en webbplats.

Resultatet visar att ¨overvakning av sensordata och reglering av aktuatorer fungerar.

Teoretiskt sett ¨ar prototypen utformad f¨or att expanderas till en verklig applikation.

(6)

(7)

Abstract

During the summer excess energy is produced from solar heaters, this is not taken care of, and usually goes to waste. The base of the project is built on that you should take the excess energy during the warmest months of the summer and save the energy in boreholes in the ground, then during the colder months the energy can be used.

The purpose of the project was to build a prototype for the control and monitoring of a system. With this project we want to present a solution to a prototype which can be used as a development platform for the client.

Communication between the actuators, sensors and the controller is made via a CAN- bus. The temperature sensors uses a One-wire buss and its values are stored and can be shown on a website.

The results show that the monitoring and control functions works. Theoretically, the prototype is designed to be expanded to a real application.

(8)

(9)

Inneh˚ all

1 Inledning 1

2 Bakgrund 5

2.1 Liknande projekt . . . 5

2.2 Sensorer . . . 7

2.3 Aktuatorer . . . 10

2.4 Buss-system . . . 11

3 Metod 15 3.1 Framtagning av kravspecifikation . . . 15

3.2 Systemkoncept . . . 16

3.3 CAN-Buss . . . 17

3.4 One-Wire buss . . . 17

3.5 Sensorer . . . 18

3.6 Aktuatorer . . . 20

3.7 Koppling av ventiler och cirkulationspump f¨or prototyp . . . 21

3.8 Hantering av fel . . . 22

3.9 Utveckling av kretskort . . . 23

3.10 Utveckling av prototyp . . . 23

3.11 Metod f¨or analys av resultat . . . 23

4 Resultat 25 4.1 Nod-kort . . . 25

4.2 Koppling av ventiler och cirkulationspump f¨or prototyp . . . 30

4.3 Tester . . . 33

4.4 Milj¨oaspekter . . . 36

5 Diskussion 37 6 Slutsats 39 7 Referenser 41 Bilagor 43 Bilaga 1: Tidsplan . . . 43

(10)

(11)

1 Inledning

Idag produceras energi efter efterfr˚agan och förbrukas sedan direkt. Det finns väldigt f˚a anläggningar i kommersiell drift för att lagra energi effektivt under en längre tid. So- lenergi är en utsläpps- och föroreningsfri energi vilket gör den till en ideal förnyelsebar energikälla i förh˚allande till exempel vattenkraft där p˚averkan p˚a ekosystemet är stor. I länder med nordligt klimat är soltimmarna som flest under sommaren när uppvärmnings- behovet är som lägst och soltimmarna är minst under vintern när uppvärmningsbehovet som störst. Om överskott av värmeenergi fr˚an solf˚angare kan lagras under sommar- halv˚aret för att sedan kunna användas under vintern, kan användningen av solf˚angare bli mer effektiv samt mindre energi fr˚an fossila bränslen behöver användas under vintern.

Detta skulle inte bara innebära en vinst för miljön utan även en vinst rent ekonomiskt [1].

Specificering av uppgift

ASV-Solar är ett företag i Norge som utvecklar och installerar solf˚angar-anläggningar.

Företaget har intresse av att komma in p˚a marknaden för lagring av värme-enerigin som solf˚angaren producerar. P˚a uppdrag av ASV-solar, ska en prototyp skapas i liten skala som ett proof-of-concept för deras idé. Prototypen kommer att best˚a av en l˚ada fylld med singel eller sand för att simulera berggrund, med simulerade borrh˚al i form av nedstuckna slangar där varmvattnet kommer att cirkulera för att värma upp berggrunden. Tempe- raturen i borrh˚alen kommer att regleras genom att leda om inkommande varmvatten i de olika ringarna, se figur 1. Temperaturen kommer att mätas med temperaturgivare p˚a tv˚a ställen i varje borrh˚all, vid inkommande och utg˚aende vatten. Borrh˚allet i mitten värms först upp till önskad temperatur, när önskad temperatur har n˚atts leds inkommande vatten till 2:a ringen med hjälp av magnetventiler. Returen till solf˚angaren är alltid i det sista h˚alet i sista ringen. Systemet använder rent vatten utan glykollösning och därmed krävs konstant cirkulation p˚a vattnet som inte har n˚att önskad temperatur för att undvika isbildning. Cirkulationen ska drivas av en vattenpump. D˚a systemet är slutet, kommer temperaturen p˚a vattnet p˚averka trycket och ett expansionskärl kommer sannolikt att behövas. Systemet kommer att styras av en mikrokontroller, som med hjälp av data fr˚an temperatursensorerna och möjligtvis en flödesmätare styr magnetventilerna respektive justerar hastigheten p˚a pumpen. Flödet skall vara konstant och pumpen kommer att regleras därefter. Data fr˚an temperatursensorerna och flödesmätare skall loggas och sparas undan för l˚angtidslagring. Datan skall visuellt representeras p˚a en webbplats med grafik över hela systemet. Den insamlade datan kommer även att användas till att

(12)

Figur 1: Principen p˚a hur systemet ska se ut. Varmaste temperaturen i den r¨oda ringen.

Medeltemperaturen i den gr¨ona ringen. Kallaste temperaturen i den bl˚aa ringen. Bilden tagen fr˚an ASV Solar AS.

Syfte

Projektets syfte är att p˚a ett flexibelt sätt, styra och övervaka en lagringsanläggning för termisk energi och p˚a s˚a vis minska den ˚arliga förbrukningen av icke-förnyelsebar energi.

Det ska vara m¨ojligt att skala upp systemet efter kundens behov.

Avgr¨ansningar

• Solf˚angare kommer ej användas, troligen kommer doppvärmare användas för att simulera uppvärming av vatten.

• Sand/singel kommer att anv¨andas f¨or att simulera berg.

• Systemet ska endast skalas upp till storleken av 13 borrh˚al.

(13)

Fr˚agest¨allningar

• Hur ska kommunikation med sensor- och aktuatorelement implementeras?

• Vilken typ av sensorer och magnetventiler kr¨avs f¨or v˚art projekt?

• Hur ska ventiler kopplas f¨or att f˚a ett flexibelt system?

• Hur mycket vatten m˚aste pumpen klara av att cirkulera?

(14)

(15)

2 Bakgrund

2.1 Liknande projekt

Drake Landing Solar Community (DLSC)

Ett projekt som startades 2005 i Kanada [3]. I ett omr˚ade p˚a 52 hush˚all installerades ett liknande värmelagringssystem med ett m˚al att 90 procent av all uppvärmningsenergi skulle komma fr˚an solen. Detta m˚al n˚addes och systemet körs än idag med framg˚ang.

Systemet anv¨ander sig av ett flertal kanaler som vattnet mynnar ut i nere i berggrunden.

Därmed skickas alltid det uppvärmda vattnet in i de borrh˚al belägna i centrum av borrh˚alsparken för att sedan mynna ut till de övriga borrh˚alen. P˚a s˚a vis finns där ingen aktiv styrning av vattenflödet. Största skillnaden mot v˚art projekt är hur borrh˚allen är placerade, hur vattnet leds genom dessa samt användningen av en ackumulatortank för korttidsförvaring.

HT-BTES Plant i Emmaboda

HT-BTES anläggning i Emmaboda [4] är ett forskningsprojekt där de tar tillvara p˚a den överblivna värmen fr˚an närliggande industri. Detta kan liknas med värmen som f˚as fr˚an solvärmare. Systemet i helhet liknar det system som ska göras i detta projekt.

Största skillnaden är att borrh˚alen är placerade i en rektangel med 4 meters mellanrum.

Brunnparken är uppdelad i sju sektioner med 20 borrh˚al i varje sektion. Likheter med v˚art projekt är att vattnet kan styras till de olika sektionerna beroende p˚a vattnets inloppstemperatur. Ett övervakningssystem är konstruerat för att mäta temperatur och flöde. Brunnparken har sitt varmaste omr˚ade i mitten likt DLSC.

(16)

Nibes bergv¨armesystem

Kontakt har tagits med NIBE som tillverkar bergvärmepumpar. En värmepump kan utnyttja lagrad solvärme i berg, mark eller vatten till att värma upp en bostad. Om- vandlingen av lagrad energi till bostadsvärme sker i tre olika kretsar. I köldbärarkretsen hämtas värmeenergi fr˚an omgivningen och transporteras till värmepumpen. I köldmedie- kretsen höjer värmepumpen den hämtade värmens l˚aga temperatur till en hög temperatur. I värmebärarkretsen distribueras värmen ut i huset. NIBE använder sig av en slinga nere i marken och mäter temperaturen p˚a inlopp och utlopp av slingan. Resten av regleringen görs med hjälp av temperaturgivare inne i hush˚allet och utanför hush˚allet för att kunna h˚alla det värde som bergvärmepumpen är satt till. Givare som används för att mäta temperatur är resistansberoende. En cirkulationspump används för att pumpa ner vatten i berggrunden och för att pumpa upp det i ackumulatortank. Cirkulationspumpen

¨

ar pwm-styrd och kan styras fr˚an 0-100 % och den har som syfte att cirkulera vätskan i systemet. Ventiler används för att styra vätskan i systemet. Antingen styrs vätskan till klimatsystemet när uppvärmning av huset görs eller till varmvattenberedaren när varmvatten ska användas. Skulle eventuella fel uppst˚a meddelas användaren via displayen p˚a bergvärmepumpen. Larm ges om motorskydd löser ut, om flödet inte är vad det borde vara, och vid d˚alig cirkulation i köldbärarkretsen [5].

Sensorn¨atverk med CAN-buss

Deodhe et al. föresl˚ar en arkitektur för CAN samt n˚agra olika användningar där implementation av ett CAN-gränsnitt är fördelaktigt [6]. Bland annat diskuteras fördelarna som finns d˚a det implementeras i ett sensornätverk, som: driftsäkerhet, snabbhet och egenskapen att kunna skala upp systemet efterhand som behovet uppst˚ar. I rapporten utvecklas även ett kretskort som ger CAN funktionalitet för system som använder RS- 232 som standard. Att just RS-232 valdes som exempel var för dess stora spridning bland PC:s samt industriella maskiner.

(17)

2.2 Sensorer

Termoelement

Ett termoelement är en sensor för temperaturmätning. Sensorn best˚ar av tv˚a tr˚adar av olika material som är ihoplödda i ena änden, vilket skapar en kopplingspunkt [7]. Mel- lan dessa tv˚a punkter skapas en potentialskillnad som mäts, se figur 2. Den vanligaste

¨

ar den av typen K, som best˚ar av tv˚a ledare. En nickel-kromlegering och en nickel- aluminiumlegering. Vid rumstemperatur är spänningen f¨or en givare av typ K 41 µV /^◦ C. Med denna sensor f˚as ett linjärt samband mellan spänning och temperatur. Termoe- lement av typen K har ett mätintervall mellan -270 och 1260^◦C med en noggrannhet p˚a

± 0.75^◦ C. Ett termoelement med tv˚a tr˚adar ihopl¨odda tillsammans med mantel kallas jordat termoelement. Dessa har mycket god responstid.

Figur 2: Schematisk ¨overblick av ett termoelement. Tsense är kopplingspunkt för de tv˚a ledarna, Tmeter är mätpunkten, och Tref är referenstemperaturen.

(18)

Resistiva givare

Resistiva givare finns i en mängd olika utföranden. Funktionen hos de alla är densamma d˚a dess givar-element best˚ar av en spirallindad tr˚ad runt en keramik eller glas kärna, vilket är ganska ömt˚aligt och placeras ofta inuti ”ett t˚aligt rör”. Elementet görs utav rent material s˚asom platinum, koppar eller nickel. Materialet har en förutsägbar resistans som ändras d˚a temperaturen ändras [8]. Relationen mellan resistans och temperatur kan beskrivas med hjälp av Callendar-Van Dusens ekvation,

R(t) = R(0)(1 + A × t + B × t²).

d¨ar R(0) = Resistansen hos sensorn vid 0 ^◦C, A, B = best¨amda konstanter, t = temperatur.

Ekvationen gäller fr˚an 0 till 661 ^◦C. Fördelar med resisitiva termometrar är att de har hög noggrannhet, l˚ag kostnad, stor bandbredd och är väldigt stabila.

Termistor

En termistor är lik en resisitiv givare d˚a även denna har en resistans som ändras beroende p˚a temperaturen. Materialet i en termistor är normalt sett keramik eller polymer [9]. Ter- mistorn jobbar inom mindre intervall vad gäller temperaturmätning, typiska intervaller

¨

ar -90 till 130^◦C. Det finns tv˚a typer av termistorer, PTC och NTC. Positiv temperatur koefficient och negativ temperatur koefficient. Vid mindre temperaturintervaller är även en termistor linjär, d˚a gäller följande samband:

∆R = k × ∆T

d¨ar ∆R = ¨andringen i resistans, ∆T = ¨andringen i temperatur , k = f¨orsta ordningens temperatur konstant.

Där k är antingen positiv eller negativ beroende p˚a om det är en PTC eller NTC termistor.

(19)

Magnetisk induktiv

Magnetisk induktiv flödesmätare, även kallad MAG-mätare best˚ar av tv˚a spolar som skapar ett magnetfält. I magnetfältet fungerar vätskan som en elektrisk ledare som inducerar en spänning när den flödar fram. Denna spänning kan mätas och registreras [10]. Induktiva flödesmätare har m˚anga fördelar. H˚allbarheten är hög, omkring 75 ˚ar.

Med den här mätprincipen är mätningen oberoende av vätskans viskositet, densitet, temperatur eller partiklar i vätskan. Spänningen f˚as fram genom sambandet:

E = K × V

d¨ar K = konstant beroende p˚a v¨atska, V = hastighet och E = sp¨anning.

Ultraljud

En flödesmätare med ultraljud mäter vätskans hastighet utan att p˚averka vattenflödet.

Flödesmätaren har inga rörliga delar. Det finns tv˚a mätprinciper när det kommer till ultraljud, Doppler och Transit-Time. B˚ada använder sig av principen att en sändare och en mottagre sitter p˚a utsidan av röret, se figur 3. Den ena kan kallas T1, och den andra kan kallas T2. Fr˚an att vattnet passerar T1, tills dessa att det kommer fram till T2, mäts tiden, som är proportionerlig mot hastigheten [11]. En Transit-Time givare används med fördel när det är rent vatten. Medans en Doppler givare används när vattnet är orent med mycket partiklar i. Fördelar är att de är billiga, inga rörliga delar, vilket inte p˚averkar flödet och de är enkla att underh˚alla. En nackdel är att vid en flödeshastighet p˚a under 0.6 m/s tappar den noggrannhet.

Figur 3: Funktionen hos en fl¨odesm¨atare med ultraljud. Fr˚an att vattnet passerar T1, tills dessa att det kommer fram till T2 tas tiden. Denna tid ¨ar proportionerlig mot hastigheten.

(20)

2.3 Aktuatorer

Kulventil

En kulventil är vad namnet säger, en ventil med en kula i som användaren manövrerar manuellt eller elektriskt. En kulventil kan användas antingen som L-port eller T-port, se figur 4. Finns b˚ade normal close (NC) och normal open (NO) ventiler. När det skickas en elektrisk signal p˚a ventilen kommer den antingen öppna eller stänga beroende p˚a om den är NO eller NC. Kulventiler klarar högt tryck, är billiga att underh˚alla och klarar höga temperaturer [12].

Figur 4: Bilden beskriver hur en L-ports ventil, samt en T-ports ventil fungerar. Funk- tionen styrs av kulan och hur den st¨alls.

Magnetventil

En magnetventil är en elektromekanisk ventil som styrs genom att det skickas en ström genom en spole. När strömmen passerar genom spolen s˚a f˚ar den kolven i ventilen att

ändra riktning. Magnetventiler används främst när en vätska med tryck ska passera igenom den. Ett bra exempel är i tvättmaskiner för inlopp av kallvatten [13].

Cirkulationspump

Cirkulationspumpar används i vattenburna värmesystem. Syftet med en cirkulationspump är att transportera det varma vattnet fr˚an exempelvis en solvärmare till radiatorer eller värmeslingor i golvet. Beroende p˚a hur stort systemet är s˚a behöver cirkulationspumpen dimensioneras utefter systemet, för att den ska kunna h˚alla sitt flöde. Har pumpen för l˚agt varvtal kommer flödet bli för l˚agt och fördela värmen i systemet p˚a ett ineffektivt sätt. Detsamma gäller om varvtalet blir för högt s˚a blir systemet ocks˚a ineffektivt. Det finns generellt sätt tv˚a olika typer av cirkulationspumpar, pump med manuellt inställbar hastighet och tryckreglerade pumpar med automatisk hastighetsreglering [14].

(21)

2.4 Buss-system

F¨or att kommunikation mellan sensorer och aktuatorer ska fungera kr¨avs det att dessa

¨

ar sammankopplade. Valet av buss mellan dessa spelar stor roll i hur effektivt systemet blir. Olika bussar har olika egenskaper. Nedan beskrivs de bussar som har granskats och bedömts ha potential för projektet med avseende p˚a säkerhet, prestanda, avst˚and och expansionsmöjligheter [15].

CAN

CAN-buss är främst avsett för kommunikation p˚a fordon men som används numera mycket i andra sammanhang. Prestandamässigt kan CAN-bussen hantera hastigheter upp till 1 Mbit/s vid avst˚and p˚a 40 meter med max 30 noder. Det g˚ar att öka avst˚and samt antalet noder men p˚a bekostnad av lägre hastighet. Alla noder i nätet är parallellkopp- lade till tv˚a gemensamma ledare, se figur 5. Kommunikationen är seriell och asynkron.

Med hjälp av CAN möjliggörs att flera noder i fordonet kan sända meddelanden till varandra p˚a ett säkert och snabbt sätt. Ett meddelande är uppdelat i fält. Ett av fälten inneh˚aller meddelandets ID och är elva bitar l˚angt (CAN 2.0A). Meddelandet har högre prioritet om det har ett lägre ID än de andra meddelandet som försöker sändas samtidigt.

Ett meddelande kan inneh˚alla upp till ˚atta databytes. Meddelandet best˚ar alltid av en checksumma för att kunna köra en CRC-check p˚a varje meddelande när det mottagits.

Detta g¨ors s˚a att mottagaren vet att meddelandet inte ¨ar korrupt [16].

Figur 5: Principen f¨or hur en CAN-buss ¨ar uppbyggd. Terminatormotst˚and sitter i

¨

andarna p˚a CAN-high och CAN-low. Boxarna f¨orest¨aller noder.

(22)

SPI

SPI är ett annat buss-system. Här sker kommunikationen synkront och det används främst vid korta avst˚and. Att den är synkron gör att den är snabbare än en asynkron buss. Bussen använder sig av en master-slave arkitektur, där en master enhet kan kontrollera en eller flera slave enheter. SPI bussar används ofta vid kommunkation mellan mikrokontrollers och utrustning s˚asom sensorer, shiftregister och SD kort. Bussen kon- trolleras med fyra logsiska signaler [17].

• SCLK - Serial Clock

• MOSI - Master Output, Slave Input

• MISO - Master Input, Slave output

• SS - Slave Select USB

USB, universal serial bus är en seriell databuss. Den är uppbyggd utav fyra ledare varav tv˚a är matning och jord. De resterande tv˚a är tvinnad signalkabel. Fördelen är att bussen

är väldigt snabb, med den senaste tekniken kan en hastighet f˚as p˚a 5 Gbit/s. Nackdelen med USB är att max kabellängd f˚ar vara 5 meter utan att det finns risk för förlust av data [18]

One-wire

One-wire buss är en buss som använder sig av seriella protokoll som överförs via en kabel. En masterenhet initierarar och kontrollerar alla slaveenheter. Varje slaveenhet har en unik 64 bitars adress vilket gör att denna typ av buss är väldigt expanderbar.

Det finns tv˚a typer av One-wire buss, en är där enheterna har egen strömförsörjning, se figur 6. Den andra typen är d˚a enheterna f˚ar sin strömförsörjning fr˚an bussen, det senare alternativet kallas parasitic. Fördelar med denna buss är att den fungerar vid väldigt l˚anga avst˚and och är enkel att tillämpa [19].

(23)

AS-Interface

AS-Inteface st˚ar för Aktuator Sensor Interface. Denna buss används inom industrin för att styra aktuatorer och sensorer. Bussen styrs ofta med hjälp av en PLC eller mikrokontrollers. För att använda bussen krävs en masterenhet, en eller flera slaveenheter, en strömkälla, och kabel mellan enheterna. ASI är väldigt likt CAN vad gäller säkerhet. Skillnaderna är att CAN har snabbare överföringshastighet samt möjligheten att använda fler noder [20].

(24)

(25)

3 Metod

Vid start av projektet skrevs en tidsplan med syfte att skapa en överblick över vad som ska göras i projektet. Tidsplanen bestod huvudsakligen utav tre faser. Planering, utveckling och analys av resultat. I samband med att tidsplanen skrevs sattes milstolpar upp för att f˚a ett avslut p˚a varje fas innan nästa p˚abörjades, se tidsplan bilaga 1.

3.1 Framtagning av kravspecifikation

En kravspecifikation togs fram tillsammans med uppdragsgivaren ¨over de generalla krav som skulle uppfyllas. Kravspecifikationen ¨andrades under projektets g˚ang, se Kravspe- cifikation bilaga 1.

De generalla kraven f¨or projektet var:

• Temperatursensor ska finnas i toppen och botten utav brunnarna

• Ventiler ska styras elektriskt

• En pump ska finnas f¨or att f˚a cirkulation i systemet

• Prototypen ska vara portabel

• Systemet ska best˚a av 13 brunnar

(26)

3.2 Systemkoncept

Figur 7: Systemets struktur med CAN-buss och dess noder. NOD-1 ¨ar där styrning sker samt avläsning av sensorer. Nod-1 kommunicerar med Nod-2 där ett meddelande skickas om vilken ventil som ska aktiveras. Nod-1 kommunicerar med Nod-Rpi där lagring av sensordata görs och datan läggs sedan upp p˚a en webbplats. Kommunikationen sker via CAN-bussen.

För att styra ventiler och läsa av sensorer hade en styrenhets I/O:s fungerat. Men för att kunna expandera prototypen och för att kunna skapa den i fullskala valdes tv˚a buss-system. Kommunikationen mellan de olika styrsystemen kommer ske med en CAN- buss, och för temperatursensorer används en One-wire buss. CAN-bussen kommer best˚a av tre noder. Alla tre noder kommer att inneh˚alla en styrenhet. Styrenheterna valdes av den datatekniska gruppen [2]. Valen blev tv˚a Arduino Uno och en Raspberry Pi.

Processorn som Arduino Uno använder heter ATmega328p. Nod-Rpi kommunicerar med Nod-1 och f˚ar av Nod-1 sensordata som Nod-Rpi lägger upp p˚a en server. P˚a Nod-1 kommer avläsning av sensorer och styrning av systemet att ske. One-wire bussen p˚a Nod-1 kommer att delas upp i tv˚a bussar. Detta görs för att styrenheten inte kan läsa av fler än 20 stycken sensorer p˚a varje digital pin. Nod-1 kommunicerar med Nod-2 s˚a att rätt ventil aktiveras. Nod-2 kan tillverkas p˚a tv˚a olika sätt. Antingen kan flera noder göras där en ventil styrs p˚a varje nod, eller en nod där flera ventiler styrs. D˚a detta

(27)

3.3 CAN-Buss

Tidigt i projektet bestämdes det att kommunikation mellan styrenhet, sensor- och aktuatorelement skulle styras med hjälp av en buss. De olika bussarna som tagits upp under bakgrunden har utvärderats och den buss som lämpar sig bäst till projektet är CAN-bussen. Fördelarna med en CAN-buss är att den är väldigt säker, p˚alitlig och ro- bust. Säkerheten hos system som detta är väldigt viktigt och CAN bussen har just den egenskapen. CAN g˚ar dessutom att använda vid väldigt l˚anga avst˚and, och änd˚a ha en snabb kommunkationshastighet.

En m˚alsättning har hela tiden varit att kunna skala upp prototypen till en verklig applikation. Avst˚and mellan brunnpark och styrenhet kan bli l˚anga. Med CAN-buss skapas ett nätverk med noder, där varje nod kan styra, alternativt läsa av ett antal utg˚angar. En annan positiv egenskap är att meddelandet alltid best˚ar av en checksumma, som det kan göras en CRC-check p˚a. Detta görs för att veta om meddelandet är korrupt eller inte. Nackdelen är att kommunikationen p˚a en CAN-buss är seriell, vilket medför att kommunikationen endast kan ske en väg ˚at g˚angen, allts˚a skicka eller ta emot. Dock g˚ar detta s˚a snabbt och det finns inget krav p˚a att kommunicera tv˚a vägar samtidigt under samma tid s˚a därför är den nackdelen inget problem för projektet.

Noderna byggs annorlunda beroende p˚a funktion. För att endast kommunicera fr˚an styrenhet till CAN byggs Nod-Rpi med hjälp av en transceiver, MCP2551 och en stand alone controller, MCP2515 samt en Raspberry Pi 2. För att läsa av sensorer och styra systemet byggs Nod-1 och Nod-2 av en transceiver, stand-alone controller och en ATmega328p.

3.4 One-Wire buss

One-wire bussen använder sig av seriella protokoll och dessa överförs via en signalkabel.

Varje enhet i One-wire bussen har sin egna unika 64-bitars adress vilket gör den väldigt expanderbar. Temperatursensorerna som valts, DS18B20 använder sig utav av One-wire protokoll och dessa kopplas parallellt och varje enhet f˚ar en unik identitet. Valet blev att använda digitala temperatursensorer som använder sig av One-wire protokoll d˚a den klarar l˚anga avst˚and och var lätt att implemetera. En analog sensor lämpar sig inte bra vid l˚anga avst˚and utan att signalen A/D-omvandlas.

(28)

3.5 Sensorer

Fl¨odesm¨atning

Det enda kravet som fanns p˚a flödesmätaren var att den skulle kunna känna av ett flöde mellan 0-1 m³/h. och att den skulle kunna läsas av med hjälp av Nod-1. Nod-1 är kopplad till CAN-bussen. Sensorn som valdes var en YF-S201 magnetisk induktiv sensor, se figur 8. Fördelen med den som valdes var att den med goda marginaler kunde läsa av det flöde som önskats samt att den var väldigt billig.

Figur 8: Bilden visar fl¨odesmätaren med kontakt. Röd indikerar +12VDC, Gul signalkabel och svart är jord.

(29)

Temperaturm¨atning

För att mäta temperaturen i rören finns det tv˚a olika alternativ att lösa detta p˚a. An- tingen med analog sensor eller digital. För att kunna skala upp prototypen till fullskala, d˚a borrh˚al kan bli upp emot 100 meter djupa, har digitala sensorer valts. Digitala sensorer är mer fördelaktiga vid l˚anga avst˚and d˚a analoga sensorer tappar signal och förstärks de upp kan detta skapa brus. De digitala sensorerna använder sig av One-wire protokoll.

Dessa valdes dels för att det är enkelt att implementera och dels för att A/D omvandling i 100 meter djupa borrh˚al kan bli sv˚art. Sensorerna kopplas parallellt med varandra p˚a Nod-1 och varje sensor f˚ar d˚a en unik adress. Sensorns noggrannhet g˚ar att konfigurera.

Vid 12 bitars konfiguration f˚as ± 0.0625^◦C noggrannhet. Detta medför att det tar max 750 ms att läsa av sensorn. Vid 9 bitars konfiguration f˚as ± 0.5 ^◦C, vilket medför att det tar 94 ms istället för 750 ms. Temperturintervallet ligger mellan -55 till +125 ^◦C.

Sensors som valdes var en DS18B20, se figur 9. Den konfigurerades till 9 bitar.

Figur 9: Temperatursensors med kapsling. R¨od indikerar +5VDC, vit indikerar data och svart indikerar jord.

(30)

3.6 Aktuatorer

Ventiler

För att kunna styra vattnet i rörsystemet krävs ventiler. De tv˚a olika ventilerna som har observerats för att lösa detta är en kulventil och en magnetventil. B˚ada ventilerna passar bra för systemet eftersom de g˚ar att styra i tv˚a olika riktningar vilket behövs. Systemet kommer att behöva sju ventiler enligt schemat, se figur 11. Tre stycken tre-vägs ventiler och fyra stycken tv˚a-vägsventiler. Tre-vägs ventilerna byggdes utav tv˚a-vägsventiler.

Detta gjorde endast för att det var billigt, funktionen är densamma. Ventilerna som har valts är normalt stängda elektroniska magnetventiler, FPA-270A.

För att styra ventilerna användes kopplingen nedan, se figur 10. Ett 12 VDC Ef- fektrelä p˚a 200 mW användes. Parallellt med relät sitter en zenerdiod 1N4004 för att undvika höga backspänningar när spolen i relät släpper. Som switch fr˚an ATmega328p till relät användes en transistor BC547b. När transistorns bas f˚ar spänning passerar en ström genom den som drar spolen i relät. Detta gör att ventilen f˚ar matningsspänning.

Figur 10: Vid ritning i OrCAD har komponenterna egna beteckningar. D10 represente- rar zenerdioden, U18 är relät och Q10 är transistorn. In p˚a basen kommer styrsignalen fr˚an ATmega328P med ett motst˚and i serie. P˚a pin 3 och 4 kopplas ventilen in.

Projektet kräver att en cirkulationspump med PWM-styrning (Pulsbreddsmodulation) används. Med PWM-styrning kan flödets hastighet justeras med ATmega328p. Det varmaste vattnet i systemet ska vara 90^◦ C, men att köpa en cirkulationspump som klarar

(31)

3.7 Koppling av ventiler och cirkulationspump f¨or prototyp

Nedan f¨oljer en figur p˚a hur ihopkoppling av aktuatorelement samt ¨ovriga element gjordes.

Figur 11: H¨ar beskrivs hur koppling av ventiler och cirkulationspump ska göras. Ring 1 beskrivs av den röda slingan, som har den högsta temperaturen. Ring 2 beskrivs av den gröna slingan, som inneh˚aller ett lägre tempererat vatten än den röda. Ring 3 beskrivs av den bl˚aa slingan, som inneh˚aller det kallaste vattnet. Gula linjer indikerar rör för uttag av vatten.

Solf˚angaren har motsvarat en tank i prototypen där en doppvärmare har värmt upp vattnet till en temperatur mellan 10-60 grader. Det finns tre olika ringar och den innersta har den högsta temperaturen och den yttersta har den lägsta temperaturen. Vattnet g˚ar sedan igenom en pump som styrs med pwm-styrning. Beroende p˚a vilken ring som valts s˚a vill ska de ha olika flöden för att vattnet ska kunna cirkulera runt i systemet. En flödesmätare har använts för att mäta s˚a att det är cirkulation i systemet. Den har

(32)

3.8 Hantering av fel

För att säkerställa att systemet fungerar som tänkt vad gäller styrning av vatten, har flödesmätaren använts som säkerhet. Öppnas den önskade ventilen och cirkulationspumpen körs, avläses ett normalt värde. Skulle ventilen l˚asa sig, sluta fungera eller om det blir ett läckage, kommer flödesmätaren att ge ifr˚an sig ett värde som inte överensstämmer med det som är tänkt. Vid ett s˚adant fel ska användaren varnas och systemet stängas ner tills felet är ˚atgärdat. Nibe har en rad olika typer av skydd i deras system. Vid framtida kommersiellt bruk kommer felsökning av systemet att kunna ske, tack vare CAN-bussen, genom att använda sig av styrenheten och skicka data till en specifik nod. F˚as inte be- kräftelse tillbaka fr˚an noden är det just den noden som är ur funktion. Projektets krav behandlar inte denna aspekten men lösningen med flödesmätaren har änd˚a använts.

(33)

3.9 Utveckling av kretskort

Kretskort har tillverkats. Dessa har olika funktioner beroende p˚a om ventiler ska styras eller sensorer ska läsas av. P˚a kretskorten finns CAN-bussens High och Low. En mat- ningspänning p˚a 12 VDC till ventiler, samt en transistor med ett relä som ska styra funktionen hos ventilerna. Kretskortet för sensorer har kontakter för matningsspänning samt kopplingsplintar för inkoppling.

Layouten för kretskorten har utvecklats strategiskt med hänsyn till vart det är mest lämpligt att placera komponenterna. En del har sin givna plats längs med kanterna, s˚asom kontakter för matningsspänning, som behöver vara lätt˚atkomliga. Övriga komponenter har placerats där det är mest praktiskt för ledningsdragningen.

Testning av komponenter samt funktion hos CAN-bussen har gjorts p˚a kopplingsplatta. Efter testning har kretskort utefter v˚ar beskrivning best¨allts. Kretskorten har tillverkats med programmet OrCad Capture CIS och OrCad PCB Editor.

3.10 Utveckling av prototyp

Prototypen har byggts ihop parallellt med tillverkningen av kretskorten. Den har byggts p˚a en Eu-pall som gör det möjligt att förflytta den. Pallkragar har använts ihop med en presenning för att f˚a till en tät balja för sanden. Prototypen inneh˚aller cirka 192 liter sand där borrh˚alen placerats. Borrh˚alen är tillverkade av avloppsrör med en diameter p˚a 50 mm. En beh˚allare p˚a 10 liter med en doppvärmare har använts för att simulera solf˚angaren och fr˚an den leds vattnet in i systemet. Dessa har tillsammans kopplats ihop enligt ventileschemat i figur 11.

3.11 Metod f¨or analys av resultat

Projektet har valt att utg˚a ifr˚an kravspecifikationen för att analysera resultatet. Under utvecklingsfasen gjordes mindre tester kontinuerligt för att sedan i testfasen göra större tester p˚a delsystemen. I slutet gjordes integrationstestning p˚a slutprodukten för att säkerställa att kraven var uppfyllda. Bedöming av systemets funktionalitet har gjorts genom att se till s˚a att nätverket av sensorer, och deras data kommer fram och kan tolkas av styrenheten. Funktionaliteten innefattar även att ventilerna och cirkulationspump g˚ar att styra med hjälp av signaler fr˚an styrenheten. Prototypen har använts för att se s˚a att det tänkta resultatet är uppn˚att.

(34)

(35)

4 Resultat

4.1 Nod-kort

Testning av Nod-korten har gjorts i flera steg under utvecklingsfasen. För att testa de olika delarna kopplades allt upp p˚a en kopplingsplatta, varje komponent testades separat för att försäkra sig om att de fungerade och att metoden stämde.

CAN-bussen testades mellan en Arduino Uno och en Raspberry Pi. Ett oscilloskop kopplades p˚a bussen f¨or att se s˚a att meddelanden skickades och togs emot korrekt.

Kretskort ritades upp i OrCad och skickades iväg för tillverkning. Tre stycken nod-kort har gjorts för systemet.

Kretskorten som var beställda jämfördes med schemat i OrCad, komponenterna löddes dit och funktionen testades. Test i form av summermätning och spänningsmätning gjordes p˚a varje kort separat. Därefter kopplades korten ihop och testades genom att CAN meddelanden skickades och togs emot.

Alla korten har tillverkats med matningsspänning p˚a 12 VDC för att enkelt kunna använda en och samma spänningsskälla samt att flödesmätare och aktuatorer kräver 12 VDC. P˚a samtliga nod-kort sitter det en spänningsregulator L7805 som lämnar 5 VDC til samtliga ic-kretsar och temperatursensorer.

(36)

Nod-Rpi

P˚a Nod-Rpi kopplas Raspberry Pi 2. Raspberry Pi kommunicerar via SPI till stand-alone controllern som genererar CAN-protokollen. Denna kommunicerar med transceivern som genererar CAN-high och CAN-low. Via CAN-bussen f˚ar noden information om fl¨ode och temperatur, detta l¨aggs sedan upp p˚a en server och sparas. Raspberry Pi tillhandah˚aller servern, se figur 12.

Figur 12: Noden d¨ar Raspberry Pi kopplas in. Här kommer datan fr˚an sensorer och läses av Raspberry Pi som sedan läggs upp p˚a server.

(37)

Nod-1

P˚a Nod-1 kopplades Atmega328p. Atmega328p kommunicerar via SPI till stand-alone controllern som genererar CAN-protokollen. Denna kommunicerar med en transciver som genererar CAN-high och CAN-low. Denna nod läser av alla temperatursensorer p˚a One-wire bussen samt läser av flödet och skickar datan via CAN-bussen till Nod-Rpi.

Regleringen f¨or systemet g¨ors fr˚an denna nod och via CAN-bussen skickas meddelanden till Nod-2 som styr ventilerna. Noden reglerar ocks˚a hastigheten p˚a cirkulationspumpen.

Hastigheten läses av med hjälp av flödesmätaren, se figur 13.

Figur 13: Nod d¨ar sensorer, cirkulationspump och flödesmätare är inkopplade. Denna nod adresserar noden där ventilerna styrs.

Temperaturm¨atning

Det sitter en sensor i toppen och en i botten av varje brunn. De är som tidigare nämnt uppdelade p˚a tv˚a separata bussar. Sensorerna är förkalibrerade fr˚an fabrik med en noggrannhet p˚a ± 0.5 ^◦ C. Noggrannheten kontrollerades med hjälp av en referenstermo- meter. Det medförde att en 9 bitars konfiguration valdes för detta system. Resultatet av det blev att det tar 94 ms att läsa av en sensor och en noggrannhet p˚a ± 0.5 ^◦ C f˚as.

Temperaturensorerna uppfyller kraven.

(38)

Fl¨odesm¨atning

I början p˚a rörsystemet sitter det en flödesmätare. Enda kravet p˚a flödesmätaren var att den ska kunna läsas av med hjälp av ATmega328p. Flödesmätaren har en matnings- spänning p˚a 12 volt. Flödesmätaren ger ut pulser, där varje puls motsvarar 2.25 ml som sedan ATmega328p tolkar. Värdet ATmega328p tolkar görs om till l/s och visas sedan p˚a hemsidan. När systemet är ig˚ang och cirkulationspumpen körs, används flödesmätaren för att kontrollera s˚a att ventilerna öppnas och att det blir ett flöde i systemet. Vid ett värde som är 0 l/s stänger systemet av sig.

Kraven som fanns p˚a cirkulationspumpen var att den skulle kunna cirkulera vatten med ett flöde p˚a 0-1 m³/h. Pumpen är egentligen utformad för att användas vid vattenkylning till datorer men lämpade sig även bra till detta. Effekten ligger p˚a 18 W vilket medför att den drar 1.5 A vid full effekt. Detta togs hänsyn till när säkringar till kretskorten tillverkades.

(39)

Nod-2

P˚a Nod-2 kopplas ATmega328p. ATmega328p kommunicerar via SPI till stand-alone controllern som genererar CAN-Protokollen. Denna kommunicerar med en transceiver som genererar CAN-high och CAN-low. Noden tar emot meddelande via CAN-bussen fr˚an Nod-1 och tolkar detta s˚a att r¨att ventil aktiveras, se figur 14.

Figur 14: Nod d¨ar ventiler ¨ar inkopplade. Denna nod tar emot meddelande fr˚an Nod-1 och ser till att r¨att ventil aktiveras.

Ventiler

Kravet p˚a ventilerna var att de skulle vara normalt st¨angda och att det skulle g˚a att styra med en elektriskt signal. Styrningen fungerar som t¨ankt och vid 12 VDC matning till ventiler drar dessa 320 mA. Ventilerna som valts klarar kraven.

(40)

4.2 Koppling av ventiler och cirkulationspump f¨or prototyp

Figur 15: Slutgiltiga uppkopplingen av prototypen. Ring ett beskrivs av den r¨oda slingan, som har den högsta temperaturen. Ring tv˚a beskrivs av den gröna slingan, som inneh˚aller ett lägre tempererat vatten än den röda. Ring tre beskrivs av den bl˚aa slingan, som inneh˚aller det kallaste vattnet.

Fr˚an början var det tänkt att prototypen skulle byggas s˚a att det fanns möjlighet att b˚ade lagra och ta ut värme. Det har aldrig varit en hög prioritet att ta ut värme utan detta skulle implementeras om tid fanns. Efter att ha pratat med uppdragsgivaren och kollat upp tidsplanen implementerades inte detta. Det resulterade i att det sitter sju stycken tv˚a-vägs ventiler som styr vattnet, se figur 15. En ventil för inlopp till varje ring, och en ventil vid utlopp fr˚an varje ring. Att ha ventiler p˚a utloppet resulterade i att backventiler ej behövdes. Ventilen med slingan i svart finns där för att endast kunna cirkulera vattnet i solf˚angaren ifall vattnet inte är tillräckligt varmt.

(41)

Bygget av prototypen löpte under hela projektets g˚ang. Borrh˚alen gjordes av ett avloppsrör som har en diameter p˚a 50mm och en höjd p˚a 300mm. I borrh˚alen finns det ett rör som g˚ar ner till botten och ett rör som sitter i toppen, se figur 16. Röret fr˚an botten ska alltid vara inloppet i borrh˚alet och röret fr˚an toppen ska alltid vara det som är returen. Mellan borrh˚alen användes genomskinlig PVC-slang för att göra det lättare att koppla samman borrh˚alen och för att se cirkulationen i systemet. För att h˚alla slangen p˚a plats s˚a användes buntband. P˚a ventilerna fanns det gängor och för att undvika läckage vid dessa användes gängtejp samt slangklämmor. Rörkopplingar s˚asom T-kors och L-kors användes för att kunna f˚a ihop konstruktionen. Allt byggdes p˚a en EU-pall för att f˚a en portabel prototyp. P˚a EU-pallen sattes tv˚a stycken pallkragar som delades upp i tv˚a sektioner. En sektion med m˚atten 750x750 mm, denna del är brunnparken.

En presenning lades i brunnparken för att sand inte ska läcka ut. Övriga delen av pallen med m˚atten 750x40 mm användes för att montera tank samt all elektronik, se figur 17 och 18.

Figur 16: Bilden till v¨anster visar tv˚a monterade sensorer i varje rör, en i botten och en i toppen. Det vita röret är inloppet. Utloppet best˚ar av ett kortare rör och syns ej p˚a bilden. Till höger är en principeill skiss p˚a hur ett borrh˚al ser ut. Ett inloppsrör och ett utloppsrör. P˚a inloppsröret sitter temperatursensorerna. Det ljusgr˚a representerar

(42)

Figur 17: Brunnparken med dess brunnar.

(43)

4.3 Tester

Test utefter kravspecifikation

För att projektet ska uppfylla kraven har dessa testats. Varje krav för sig är testat, samt ett integrationstest är gjort. Testen redovisas nedan.

Krav 1-5 : Det ska finnas en temperatursensor i toppen och botten av brunnen, det ska finnas en pump f¨or cirkulation i systemet, vattnet i systemet ska ej inneh˚alla n˚agon glykol, prototypen ska vara portabel, systemet ska best˚a av 13 brunnar.

Delsystem: Generella krav

Testat: Succesivt under projektets g˚ang.

Status: Uppfyllt.

En sensor i botten och toppen finns. Cirkulationspumpen är testad och fungerar som tänkt. I systemet finns endast vatten. Prototypen är portabel d˚a den st˚ar p˚a en EU-pall och kan enkelt förflyttas med hjälp av en handtruck. 13 borrh˚all finns.

Krav 6-9 : Det ska finnas m¨ojlighet att expandera, driftsäker kommunikation, tv˚avägs kommunikation m˚aste vara möjlig, kommunikations-systemet ska klara av att kommuni- cera p˚a sträckor p˚a 100m.

Delsystem: Kommunikation

Möjligheten att expandera är testat, fr˚an början fanns en nod, sedan kopplades p˚a ytterligare en nod p˚a, för att sedan koppla p˚a tredje noden och dessa tre fungerar, max antal noder är 60. Driftsäkerheten är ej testad men fr˚an datablad f˚as att säkerheten p˚a en CAN-buss är hög. Tv˚avägskommunikation fungerar. Meddelanden är skickade fr˚an arduino uno till raspberry pi, och tvärtom. Kommunikation p˚a 100 meter är testad av säljaren och vid 100m l˚ang kabel f˚as fortfarande en noggrann temperatur.

Krav 10-12 : Ventiler ska kunna st¨angas av och p˚a med en elektriskt signal, venti- lerna ska t˚ala vatten p˚a 70 ^◦C, ventilerna ska vara normally closed.

Delsystem: Aktuatorer

Ventiler ¨ar testade dels separat och med styrenheten. Ihop med rel¨a kopplingen fr˚an

(44)

Krav 13-14 : Cirkulationspumpen ska kunna cirkulera vatten med en hastighet p˚a 0-1 m³/h, cirkulationspumpen ska styras med hj¨alp av pwm.

Delsystem: Aktuatorer Testat: 2015-11-22 Status: Uppfyllt.

Enligt datablad skall cirkulationspumpen klara av att cirkulera 1 m³/h.. Test har gjorts mot systemet och den m¨angd vatten systemet inneh˚aller klarar pumpen av att cirkulera. Pumpen har testats med signalgenerator b˚ade vid 25khz och vid 490 hz. Vid b˚ada frekvenser kan pumpens hastighet styras genom att ¨andra pulskvoten.

Krav 15-17 : Temperaturensorerna ska klara av att sampla tv˚a ggr/minut, tempe- raturensorerna ska klara av en m¨atnoggrannhet p˚a ± 0.5 ^◦C, temperaturensorerna ska klara av att m¨ata temperaturer mellan 0^◦C till 100 ^◦C.

Delsystem: Sensorer Testat: 2015-11-25 Status: Uppfyllt.

Vid avläsning med arduino uppfyller systemet kravet med tv˚a ggr/minut. Varje sensor tar 94 ms att läsa av. Det finns 26 stycken. 26 ∗ (94 ∗ 10⁻3) = 2.44s. Att f˚a en noggrannhet p˚a ± 0.5 ^◦C är uppn˚att d˚a dessa är inställda p˚a en 9 bitars konfiguration och vid utskrift fr˚an styrenheten uppn˚as detta. Fr˚an datablad ska sensorerna operera upp till 125 ^◦C. Sensorerna är testade upp till 60^◦C eftersom cirkulationspumpen inte klarar mer.

Krav 18 : Fl¨odesmätaren ska kunna känna av ett flöde mellan 0-1 m³/h.

Delsystem: Sensorer Testat: 2015-11-26 Status: Uppfyllt.

Ur datablad avläses att flödesmätaren kan känna av ett flöde mellan 0-1.8 m³/h.

Test p˚a fl¨odesm¨ataren har gjorts d˚a cirkulationspumpen har cirkulerat vatten med en hastighet p˚a 0-1 m³/h.

(45)

Integrationstest Delsystem: Alla

Testat: 2015-12-09

M˚al med test: Uppfylls integrationstestet bevisar detta att de tidigare represente- rade krav är uppfyllda. Styrning av vatten ska ske hierarktiskt med den varmaste ringen i mitten, följt av de nästkommande ringarna med mindre varmt vatten.

Integrationstestet gick ut p˚a att alla nod-kort och komponenter kopplas samman. Syste- met startades tillsammans med doppvärmaren. Systemet förväntades värma brunnparken hierartiskt, allts˚a den varmaste punkten ska alltid vara i mitten, och den kallaste ytterst. Slutligen är alla ringarna i brunnparken mättade. Nedan visas grafer p˚a hur respektive ring värmts upp i brunnparken, samt en sammanställning av dessa. Graferna representerar sensordata som samlats in under testet, se figur 19 och 20, eller bilaga 4 och 5 för förstorad bild.

Figur 19: Figuren visar uppv¨armingen av de olika ringarna, samt solf˚angare ¨over tiden.

(46)

Figur 20: Figuren visar en sammanst¨allning av figur 19 och visar att ring A värms upp först, fölt av ring B och ring C.

Reusltat av integrationstest

Resultatet av integrationstestet visar att systemet regleras hierarktiskt. Figur 20 visar att ring A värmst upp först, följt av ring B och ring C. Tappar ring A temperatur medans ring B värms ˚aterg˚ar systemet till ring A och värms upp till dess m˚altermeratur igen.

Figuren visar även att ring A prioriteras över ring B som prioriteras över ring C.

4.4 Milj¨oaspekter

Elektronikkomponenterna är inköpta p˚a välkända butiker som följer EU-direktivet Ro- HS. RoHS förbjuder eller begränsar användningen av tungmetaller och flamskyddsmedel i elektronisk utrustning. Detta innebär att de elektroniska komponenterna i detta projekt inte har gjorts med lödtenn som inneh˚aller bly. Övriga varor som är inköpta är CE- märkta. Att en produkt är CE-märkt innebär att tillverkaren har följt de föreskrifter som finns i EU-direktiven. I detalj innebär detta att tillverkaren garanterar att produkten uppfyller grundläggande hälso-, miljö- och säkerhetskrav.

(47)

5 Diskussion

I b¨orjan av projektet sattes en tidsplan upp med milstolpar. Denna har vi lyckats f¨olja.

Kretskorten kom en vecka efter planerat, men vid planering lades en vecka till där felsökning av kretskort skulle ske. Kretskorten fungerade dock när vi fick dem s˚a det vägde upp den sena leveranstiden.

En stor utmaning i det här projeket var att bygga prototypen. Ingen i gruppen är speciellt insatt i hur ett vvs-system byggs. Detta resulterade i osäkerhet innan och under bygget av prototypen. Vi fick svar p˚a de flesta fr˚agor av uppdragsgivaren, men hur den skulle byggas var upp till oss. Vid slutmontering av borrh˚al,slangar och alla de andra komponenterna fick vi en del läckage av vatten. Detta rättades till med hjälp av silikon och epoxy lim. Vid tillfället där rapporten skrevs har vi läckage, dock en s˚a liten mängd att det inte är n˚agra problem.

P˚a Nod-2 för styrning av ventiler var det fr˚an början tänkt att ha en MCP25050, som

¨

ar en I/O expanderare. Denna skulle g˚a att använda utan processor för att kunna styra ventilerna. Det visade sig att MCP25050 m˚aste programmeras med ett mjukvaruprogram som kostar väldigt mycket pengar. Detta gjorde att vi istället fick sätta en ATmega328p p˚a den noden tillsammans med en MCP2515 som är en stand-alone controller.

Vid förundersökning och enligt datablad ska det egentligen g˚a att koppla upp betyd- ligt fler temperatursensorer p˚a en och samma buss. Vi var tvungna att dela upp bussen för sensorer p˚a tv˚a separata bussar. Maxantalet som gick att ha i samma buss var 20.

Efter detta slutade arduino uno att hitta dem. Anledning till detta ¨ar vi os¨akra p˚a.

Just nu finns det inget som verkligen kvitterar att en ventil fungerar. Det som finns

är flödesmätaren som känner av om det inte blir n˚agot flöde. I framtiden hade en ventil med inbyggd kvittens varit en bra idé, alternativt en sensor vid varje ventil. Detta för att försäkra sig om att det fungerar. Cirkulationspumpen har en inbyggd tachometer som g˚ar att använda för att kontrollera att den beter sig som den ska. Tachometern känner av rotationshastigheten p˚a cirkulationspumpen. Detta är inget vi har använt oss av i projektet men den bör användas vid expandering av prototypen.

(48)

(49)

6 Slutsats

Ett av kraven var att det ska g˚a att expandera systemet s˚a att det ska kunna användas i fullskala. Valen att använda sig av CAN-buss och One-wire buss visade sig passa bra för ett system som detta. D˚a buss-systemen är väldigt expanderbara, robusta och säkra. Kravet att kunna sampla tv˚a ggr/minut med temperatursensorerna är det som bestämmer hur stor parken g˚ar att göra. Maxtiden för sampling av varje sensor är 94 ms. Delas detta p˚a 30 sekunder f˚as max antal sensorer till 333 stycken. Vid tv˚a sensorer vid varje borrh˚al f˚as detta till 166 borrh˚al. Detta gäller för v˚ar prototyp. Sätts det dit fler noder kan avläsning av bussarna för temperaturen göras parallellt vilket gör att brunnparken kan bli ännu större.

Kravet att den varmaste ringen ska vara i mitten, och ringarna runtom ska vara mindre varma ju längre ifr˚an centrumringen bevisas fr˚an integrationstestet. I figur 20 visas klart och tydligt att Ring A värmst upp till dess m˚altemperatur, därefter värms Ring B upp och sist Ring C. Tappar Ring A temperatur medans Ring B värms upp

˚aterg˚ar det till Ring A. Ring A prioriteras ¨over Ring B som prioriteras ¨over Ring C.

(50)

(51)

7 Referenser

1. Vattenkraftens p˚averkan. [Online]. [cited 2015 10 13. Available from:

https://www.havochvatten.se/ download/18.5f66a4e81416b5e51f7bf0/1380888859932/

2. Dahl K, Persson J. Control and monitoring of a BTES-system (Computer engine- ering). Halmstad University, [Online]. [cited 2015 12 28. Available from:

www.diva-portal.org

3. Sibbitta B, McClenahan D, Djebbar R, Thornton J, Wong B, Carriere J, et al.

Drake Landing Solar Community. [Online]. [cited 2015 10 6. Available from:

http://www.dlsc.ca/reports/bjul15/DLSC SH 2012 final.pdf

4. Nordell B, Liuzzo Scorpo A, Andersson O, Rydell L [Online]. [cited 2015 10 13.

Available from:

http://www.xylemwatersolutions.com/sites/EUSustainableEnergyAward/ Shared%20 Documents/HALFTIME %20REPORT%202014-%20The%20Heat %20Storage%20at

%20Emmaboda.pdf

5. Anv¨andarhandbok Nibe. [Online]. [cited 2015 10 13. Available from:

http://www.nibe.se/nibedocuments/14281/231512-4.pdf

6. Deodhe Y, Jain S, Gimonkar R. Implementation of Sensor Network using Efficient.

[Online].; 2014 [cited 2015 10 17. Available from:

http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1404/1404.6612.pdf 7. Thermocouple. [Online]. [cited 2015 10 13. Available from:

http://www.thermocoupleinfo.com/

8. Taking Temperature Measurements with RTDs: How-To Guide. [Online]. [cited 2015 10 13. Available from:

http://www.ni.com/tutorial/7115/en/#toc1

9. NTC Thermistors [Online]. [cited 2015 10 13. Available from:

http://www.microchiptechno.com/ntc thermistors.php

(52)

12. Kulventil. Online]. [cited 2015 10 15. Available from:

https://www.c-a-m.com/products-and-services/valves/valve-academy/how-does-it- work-ball-valves

13. 3-v¨ags magnetventil. [Online]. [cited 2015 10 13. Available from:

http://www.parker.com/literature/Aftermarket%20AC%20and%20 14. Cirkualationspump [Online]. [cited 2015 10 13. Available from:

http://www.pumpportalen.se/cirkulationspump/

15. Bus definition [Online]. [cited 2015 10 13. Available from:

http://searchstorage.techtarget.com/definition/bus

16. Voss W. A Comprehensible Guide to Controller Area Network. Copperhill Media Corporation. (2005)

17. Serial Peripheral Interface. [Online]. [cited 2015 10 13. Available from:

https://learn.sparkfun.com/tutorials/serial-peripheral-interface-spi?— ga=

1.83642704.790110537.1443453634

18. USB. [Online]. [cited 2015 10 16. Available from:

http://www.computerhope.com/jargon/u/usb.htm 19. OneWire. [Online]. [cited 2015 10 13. Available from:

http://playground.arduino.cc/Learning/OneWire

20. Eight Popular Open Architecture Fieldbuses and Industrial Ethernet: A Guide to the Pros and Cons for Users and OEMs [Online]. [cited 2015 10 13. Available from:

http://www.ien.com/article/eight-popular-open/562

(53)

Antal timmarVecka:3637383940414243444546474849505152532345678910 200 400 30 1000 300 100 50 400 950 500 1000 1200 200 950 0 8000 0 Tis0 Tis0 0 0 0 Må0 0 0

Temperaturreglering av termisk energilagring (Elektro) Patrik Fjordestam, Sebastian HansenDatum:14/09/2015Granskad: ASV-SolarVersion:1 ExamensarbeteUtfärdare:Patrik Fjordestam, Sebastian Hansen TIDPLAN (när), veckonummer av uppgift ion komponenter av prototyp av delsystem) est klar klarFre komponenterFre ion klarFre Fre Fre Fre systemet ska vara klartFre ska vara klarFre

(54)

Kravspecifikation

Styrning och ¨overvakning av ett BTES-system

Av: Patrik Fjordestam och Sebastian Hansen

(55)

Inneh˚ all

1 Inledning 46

2 Oversikt av systemet¨ 46

2.1 Grov beskrivning av systemet . . . . 46

2.2 Produktkomponenter . . . . 46

2.3 Beroenden till andra system . . . . 46

2.4 Ing˚aende delsystem . . . . 46

2.5 Avgr¨ansningar . . . . 47

2.6 Designfilosofi . . . . 47

2.7 Generella krav p˚a hela systemet . . . . 47

3 Delsystem 1: Kommunikation 48 3.1 Inledande beskrivning av delsystem 1 . . . . 48

3.2 Funktionella krav f¨or delsystem 1 . . . . 48

4 Delsystem 2: Styrning av aktuatorer 49 4.1 Inledande beskrivning av delsystem 2 . . . . 49

5 Delsystem 3: Sensoravl¨asning 50 5.1 Inledande beskrivning av delsystem 3 . . . . 50

(56)

1 Inledning

2 Oversikt av systemet ¨

2.1 Grov beskrivning av systemet

Där ska finnas 13 borrh˚all arrangerade som figur 1 visar. En slinga förbinder alla borrh˚all i ett hierarkiskt skal där centrum-h˚alet är högst i hierarkin. I slingan ska magnetventiler vara monterade vilket möjliggör förbikoppling av flöde till ett borrh˚al. I varje borrh˚all ska minst tv˚a temperatursensorer sitta, en i toppen och en i botten. I serie med slingan ska en flödesmätare finnas som kommer att användas för att ge indikation p˚a driftstörningar och reglera pump. En microkontroller kommer att användas för att sampla sensordata som kommer att användas för att styra magnetventiler och pump. Sensordatan kommer ocks˚a att skickas till en webbplats för lagring och visuell datarepresentation.

2.2 Produktkomponenter

Systemet best˚ar av:

• Enkortsdator

• Sensorer

• Ventiler

• Pump

• Fl¨odesm¨atare

2.3 Beroenden till andra system

Systemet är beroende av ett lokalt nätverk för att användare ska kunna besöka webbplatsen.

2.4 Ing˚aende delsystem

Produkten kan delas in i f¨oljande delsystem:

(57)

2.5 Avgr¨ansningar

• Effektiviteten hos denna typ av säsongslagring av värmeenergi är sedan tidigare bevisad. Därmed kommer detta inte att diskuteras eller bevisas i denna rapport.

• Solf˚angare kommer ej användas till prototypen. En doppvärmare kommer användas för att simulera uppvärmning av vattnet

• Sand kommer att anv¨andas f¨or att simulera berggrunden

• Systemet skall endast kunna skalas upp till en storlek av 14 borrh˚al

• Denna kravspecifikation behandlar ej den datatekniska aspekten

2.6 Designfilosofi

Systemet ska vara l¨att att expandera efter kundens behov samt inte vara on¨odigt komplext.

2.7 Generella krav p˚a hela systemet

1. Det ska finnas en temperatursensor i toppen och botten av brunnen 2. Det ska finnas en pump f¨or cirkulation i systemet

3. Vattnet i systemet ska ej inneh˚alla n˚agon glykol 4. Prototypen ska vara portabel

5. Systemet ska best˚a av 13 brunnar

(58)

3 Delsystem 1: Kommunikation

3.1 Inledande beskrivning av delsystem 1

Mellan de olika systemen ska n˚agon form av kommunkation finnas. Kom- munikationen mellan de olika systemen ska vara ordnat p˚a s˚a sätt att kabelmängden kan reduceras i systemet, samt att den ska vara säker.

3.2 Funktionella krav f¨or delsystem 1

6. Det ska finnas m¨ojlighet att expandera 7. Drifts¨aker kommunikation

8. Tv˚av¨ags kommunikation m˚aste vara m¨ojlig

9. Kommunikations-systemet ska klara av att kommunicera p˚a str¨ackor p˚a 100m

(59)

4 Delsystem 2: Styrning av aktuatorer

Delsystem 2 ska styra ventiler och cirkulationspump med hj¨alp av ett styrkort. Ventilerna kommer att styras med hj¨alp av en elektrisk signal.

Användningen av ventiler finns för att bestämma om vatten ska släppas igenom till borrh˚alen, eller om den ska vara stängd för att l˚ata vattnet cirkulera i solvärmaren.

10. Ventiler ska kunna st¨angas av och p˚a med en elektriskt signal 11. Ventilerna ska t˚ala vatten p˚a 90 grader celsius.

12. Ventilerna ska vara normally closed.

13. Cirkulationspumpen ska kunna cirkulera vattnen med en hastighet p˚a 0- 1000l/h

14. Cirkulationspumpen ska styras med hj¨alp av pwm.

(60)

5 Delsystem 3: Sensoravl¨ asning

Delsystem 3 best˚ar av ett antal sensorer som ska kommunicera med data- delen. P˚a detta delsystemet ska temperatur och flöde mätas. Flödesmätaren används dels för att se flödet i systemet och dels för att med hjälp av denna kunna se om n˚agot fel har uppst˚att. Cirkulationspumpen styrs med med pwm signal för att kunna justera flödet i systemet.

15. Temperaturensorerna ska klara av att sampla tv˚a ggr/minut

16. Temperaturensorerna ska klara av en m¨atnoggrannhet p˚a +- 0.5 grader celsius.

17. Temperaturensorerna ska klara av att m¨ata temperaturer mellan 0*C till 100*C

18. Flödesmätaren ska kunna känna av ett flöde mellan 0-1000l/h