Разработка системы микроконтроллерного управления электроотоплением жилого дома

Одной из самых насущных задач в обыденной жизни каждой семьи является проблема отопления дома в зимний период времени. Рассматривая семейные статьи расходов, напрашивается вывод о том, что отопление занимает значительную долю бюджета средней по доходам семьи, а такие семьи – это подавляющая часть населения любой страны.

Электроотопление является одним из наиболее удобных способов отопления с точки зрения доставки энергоресурсов, их учета и организации управления ими. Так, в Республике Кыргызстан, несмотря на наличие огромных запасов бурого угля, применение его является затруднительным из-за удаленного расположения угольных месторождений в высокогорных регионах страны. В себестоимости этого топлива транспортные расходы занимают более 50%. Учитывая местные условия, правительство Кыргызстана осуществляет государственную финансовую политику, которая ограничивает цену 1 кВт/час электроэнергии для населения в 70 тыйынов (около 1 цента USD) при потреблении до 700 кВт/час в месяц. Однако популярность использования для отопления домов электроэнергии создала проблему перегрузки электрических сетей, созданных относительно давно. Изношенность токоведущих линий, понижающих трансформаторов и оборудования энергетических предприятий приводит к аварийным ситуациям и частым отключениям, особенно в холодные месяцы. Для устранения данной ситуации были предприняты меры по ограничению текущего потребления для каждого потребителя на уровне 10 кВт. Для этого в домах устанавливаются новые интеллектуальные счетчики электроэнергии с возможностью удаленного управления, которые отключают потребителя от электросети при достижении общего тока потребления в 46 А. Для подключения потребителя вновь к энергосети, даже при снижении нагрузки, необходима некоторая процедура обращения в контролирующие органы в виде уведомления, что занимает некоторое время, иногда более суток. Это доставляет большие неудобства, особенно в зимнее время.

Перед нами была поставлена задача разработки устройства, которое могло бы разделить нагрузку отопления и все остальное бытовое потребление электроэнергии. Основными критериями при реализации данного проекта должны были стать простота, низкая стоимость и доступность комплектующих на рынке.

Основной функцией разработанного в итоге прибора является уменьшение нагрузки электроотопления обратно пропорционально объему бытовой нагрузки в вечернее и утреннее время, когда расходы электроэнергии достигают пиковых значений, а при достижении максимальных значений – ее отключение.

Структурная схема системы микроконтроллерного управления представлена на рисунке 1.

Для обеспечения четырех уровней мощности электроотопления с шагом регулирования 1 200 Вт от 0 до 3 600 Вт в качестве нагревательных элементов были выбраны три трубчатых электрических нагревателя мощностью по 1 200 Вт. Для контролирования текущего общего тока потребления используется датчик тока с максимальным значением тока не менее 50 А.

Для реализации микроконтроллерного управления был выбран широко распространенный модуль Arduino Uno на базе микроконтроллера Atmega 328 производства компании Atmel. В качестве нагрузки использованы теплоэлектронагреватели фирмы Ariston мощностью 1 200 Вт, в качестве датчика тока выбрана плата модуля Arduino ACS 758 производства компании Allegro. Для гальванической развязки управляющих и силовых цепей используется релейный блок Arduino – DSP AVR PIC ARM с четырьмя реле.

Рис. 1. Структурная схема системы микроконтроллерного управления.

Внешний вид узлов разработанного устройства показан на рисунке 2, а некоторые их параметры представлены в таблице 1.

ACS 758           Arduino Uno PIC AVR ARM DSP

Рис. 2. Внешний вид узлов разработанного устройства.

Таблица 1

Основные параметры узлов устройства

Благодаря модульной конструкции и наличию встроенных клемм для электрических клемм устройство легко собирается. Все комплектующие свободно продаются как в специализированных магазинах электроники, так и в интернет-магазинах. Они недороги – общая стоимость элементов не превышает 3 000 сом (около 50 USD). Небольшие габариты устройства позволят его легко встраивать в уже существующую систему электроснабжения дома. При применении других моделей производственной линейки Arduino, таких как Arduino Nano либо Arduino Pro mini, устройство можно сделать еще меньшего размера.

Наличие шести аналоговых входов и четырнадцати цифровых выходов на плате контроллера Arduino Uno при необходимости позволяет расширить функционал устройства, дополнительно добавив возможности контроля температуры, беспроводного управления, удаленного доступа и т.д. Несколько усложнив программу и подключив комплект к персональному компьютеру, можно архивировать данные по нагрузке в динамике для последующего анализа и оптимизации энергопотребления.