Как ИнКата разработала умную систему мониторинга горячей воды

Разработка системы мониторинга тепловой энергии была реализована поэтапно. 

На первом этапе проводились прикладные исследования и разработка ключевых алгоритмов, основанных на принципах термодинамики и гидродинамики. Этап включал несколько итераций, в результате которых было создано 6 алгоритмов, обеспечивающих контроль над различными температурными и термодинамическими параметрами системы промышленного горячего водоснабжения и интеграцию системы управления и мониторинга горячей воды в существующую инфраструктуру.

Получив первые версии алгоритмов, мы перешли к разработке электронной части системы. Наши инженеры провели 4 итерации прототипирования печатных плат, чтобы убедиться в работоспособности алгоритмов. Печатные платы были разработаны на базе микроконтроллеров семейства STM, оснащенных настраиваемыми PID-регуляторами и использующих алгоритмы регулирования подачи тепловой энергии на основе данных о потребляемой мощности, получаемых от теплосчетчика. Для календарного управления режимами нагрева на платах установлены часы реального времени, а параметры календарного управления задаются через пользовательское программное обеспечение.

Для архивирования данных измерений на плате контроллера установлены две микросхемы EEPROM. Доступ к данным осуществляется через интерфейс RS-485, что позволяет интегрировать контроллер в систему SCADA. Параметры контроллера могут быть установлены локально через интерфейс оператора или удаленно через RS-485. На данный момент реализовано четыре схемы регулируемых объектов, а общее количество регулируемых параметров в максимальной схеме достигает 206. Для достижения метрологической точности (прибор включен в государственный реестр средств измерений) мы предусмотрели процедуры лабораторной калибровки каналов измерения температуры и систему защиты калибровочных констант с программными паролями и встроенными перемычками.

Также мы разработали и изготовили специальный испытательный стенд для первичного контроля работоспособности печатных плат контроллеров после установки. Стенд имитирует тестовые воздействия на все физические входы регулятора и управляет всеми его выходными сигналами. Для функционирования стенда была разработана тестовая прошивка, позволяющая управлять им через сервисную программу для Windows посредством USB-интерфейса компьютера.

После завершения разработки алгоритмов мы спроектировали проточные части регулирующих клапанов, адаптированные для установки датчиков и системы измерения. Конструкция клапана была разработана на основе компьютерного моделирования, чтобы обеспечить линейную зависимость расхода горячей воды от хода плунжера. Для определения геометрических параметров клапана, таких как форма профиля плунжера, коэффициент гидравлического сопротивления и пропускная характеристика, мы использовали CFD-анализ (метод конечных элементов). Первые результаты моделирования показали, что начальная геометрия профилей плунжеров не обеспечивала необходимую линейность пропускной характеристики, поэтому конструкция плунжера была оптимизирована для достижения требуемой геометрии.

Результаты компьютерного моделирования были дополнены параметрами, полученными при тестировании прототипа. После расчета «идеального» профиля, соответствующего конструкции, мы начали серийное производство для пилотного проекта.

Испытания в реальных условиях подтвердили, что система автоматически регулирует подачу тепла и горячей воды, обеспечивая баланс энергопотребления в помещениях или системах, что является уникальным функционалом по сравнению с существующими терморегуляторами.

Для массового производства мы адаптировали конструкцию проточной части клапана под мелкосерийное производство. Были разработаны приспособления для сварки проточных частей клапанов и стенд для проверки качества сварки. Аналогичную адаптацию конструкторской документации мы выполнили и для электронной части системы. Для тестирования печатных плат был создан испытательный стенд, который использовался для выявления брака во время серийного производства.