ALGORITMO PID CASCATA

OBIETTIVO

Questo bollettino tecnico illustra nel dettaglio il nuovo algoritmo PID di cascata che è possibile selezionare all'interno della Pagina OpenTherm del Configuratore RegConfig.

ALGORITMI DI CASCATA PER RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO

Nell'immagine seguente si evidenzia, all'interno della pagina OpenTherm del RegConfig, la posizione della sezione Controllo Algoritmo di Cascata Riscaldamento (rosso) e della sezione Compensazione Temperatura Secondario Riscaldamento (azzurro), che è strettamente correlata all'algoritmo PID di cascata:

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L’algoritmo di cascata può essere di 3 tipi:

• Funzionamento parallelo: tutti i generatori OpenTherm abilitati per riscaldamento e raffrescamento sono chiamati a lavorare contemporaneamente;

• Cascata di potenza: questo controllo si può applicare a quei generatori che sono in grado di restituire al RegConfig come data point la potenza erogata, in quanto la funzione ha come obiettivo quello di mantenere accesi i generatori OpenTherm abilitati all'interno di un certo range di potenza erogata;

• PID: è l’acronimo di Proporzionale - Integrale - Derivativo. Quest’ultimo controllo consente di accendere o spegnere i generatori OpenTherm abilitati in relazione a quanto vicina è la temperatura misurata da un sensore (generalmente posizionato in un volano tecnico a cui tutti i generatori sono collegati) e il set point impostato.

Per generatori OpenTherm abilitati si intendono quei generatori che nella sezione Generatori (evidenziata in verde) della pagina OpenTherm hanno un numero (che può andare da 1, priorità massima, a 8, priorità minima) e non OFF nella casella corrispondente alla colonna “Risc”. Il numero indica la priorità di chiamata, quindi nell'immagine seguente i generatori G1 e G3 hanno priorità 1 (vengono chiamati per primi), mentre G2 ha priorità 2 e G4 priorità 3:

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Attenzione: non utilizzare G0 in quanto è il generatore OpenTherm utilizzato con il prodotto DOT, non con il sistema REG, quindi nella logica di cascata non viene mai considerato.

ALGORITMO DI CONTROLLO PID

E' un sistema di controllo in retroazione, che varia il numero di generatori attivi con l’obiettivo di mantenere la temperatura di uscita dell’insieme di generatori al setpoint richiesto.

In questo caso specifico si usa la versione PI (senza azione derivativa, D).

Modificando i parametri P e I si può controllare in che modo il sistema reagisce quando la temperatura rilevata è diversa dal setpoint, e ciò rende questo sistema molto versatile.

Il sistema confronta la temperatura misurata da una sonda, che deve essere posizionata in un punto in cui i contributi di tutti i generatori si sommano (tipicamente un collettore di equilibramento, o l’ingresso di uno scambiatore, o un accumulo tecnico) con il setpoint desiderato.

La differenza tra i due valori (temperatura misurata e setpoint), che si definisce “Segnale di Errore”, viene utilizzato per determinare il numero di generatori da attivare.

In particolare il sistema tiene conto di due fattori:

• Il valore ATTUALE (o “istantaneo”) del Segnale di Errore (azione proporzionale)

• L’andamento nel tempo (l'“integrale”) del Segnale di Errore (azione integrale)

All'interno della pagina OpenTherm del RegConfig si trova la sezione Compensazione Temperatura secondario Riscaldamento:

Il sistema assume che il sensore utilizzato dall’algoritmo “Cascata PID” sia lo stesso utilizzato dalla funzione “Compensazione Temp. Secondario”, e viene quindi impostato tramite il parametro “Sensore su Secondario”.

E' però importante sottolineare che “Cascata PID” e “Compensazione Temp. Secondario” sono due funzioni diverse e separate, che possono funzionare in maniera congiunta o disgiunta (per es. la funzione “Compensazione Temp. Secondario” può essere utilizzata anche per altri tipi di algoritmi di cascata, ed anche per il funzionamento parallelo), che incidentalmente “condividono” lo stesso sensore, in quanto l’esigenza per entrambi gli algoritmi è quella di monitorare la temperatura “finale” fornita dall’insieme dei generatori.

Nota

La funzione “Compensazione Temp. Secondario” non è oggetto del presente bollettino tecnico, che si concentra invece sulla “Cascata PID”

Una volta definito il sensore di riferimento per l’algoritmo PI di cascata si può procedere ad inserire i valori che hanno effetto sul valore della variabile in uscita del controllo PI, cioè quanti generatori OpenTherm devono essere accesi e quando:

• Pausa tra variazioni (s): la variazione è il cambiamento corrispondente all’accensione o allo spegnimento di un generatore OpenTherm. La pausa tra due variazioni è il tempo minimo che trascorre tra l’accensione o lo spegnimento di un generatore OpenTherm e la successiva accensione (o successivo spegnimento) di un altro generatore OpenTherm. Ad esempio se al tempo x viene acceso un generatore, per il tempo indicato nella casella Pausa tra variazione, l’algoritmo non aggiungerà o toglierà generatori (anche se il risultato del calcolo lo richiederebbe) per dare il tempo ai generatori accesi di andare a regime e di vedere gli effetti sull’impianto;

• Pid P (adimensionale): parametro Proporzionale nel calcolo del numero di generatori OpenTherm da accendere o da spegnere. Il parametro proporzionale dipende dalla differenza tra il set point desiderato e la temperatura attuale letta dal sensore utilizzato per il controllo PI:

• Pid I (adimensionale): parametro Integrale nel calcolo del numero di generatori OpenTherm da accendere o da spegnere. Il parametro integrale completa il parametro proporzionale tenendo conto del tempo che il sistema impiega per avvicinarsi al set point desiderato. Per determinare il parametro Pid I si ipotizzi che il delta T dopo l’accensione del primo generatore sia passato da 4 K a 2 K e che si voglia accendere anche un secondo generatore dopo 5 minuti (ad esempio):

• N. Generatori Start: indica il numero di generatori che vengono accessi partendo dalla condizione “tutti i generatori OpenTherm sono spenti”. Ad esempio si ipotizza di porre il numero di generatori Start pari a 2: si è nella condizione “tutti i generatori OpenTherm sono spenti” e l’algoritmo di cascata ha come risultato l’accensione di un solo generatore, però come minimo ne accende 2 contemporaneamente. Dopo l’accensione (e quindi perlomeno dopo il tempo indicato da “Pausa tra variazioni”) l’algoritmo potrà valutare se il numero di generatori è congruo alla richiesta dell’impianto (e quindi lasciarlo invariato), oppure diminuirlo o aumentarlo; il numero di generatori allo start è utile nel caso in cui ci siano impianti con molti generatori. Si supponga di avere un impianto con 8 generatori: se il sistema parte con un solo generatore e poi ogni “Pausa tra variazioni” (tipicamente 3 minuti) ne aggiunge un altro, passeranno almeno 21 minuti prima che il sistema vada a pieno regime; impostando invece il numero iniziale a 4 il sistema parte subito con 4 generatori, e poi si deciderà se aumentare tale numero (e comunque al massimo in 12 minuti andrebbe al massimo) o diminuirlo.

• N. Generatori Minimo: indica il numero minimo di generatori attivi. Se per esempio è impostato su 3 e attualmente sono attivi 3 generatori, anche se l’algoritmo di cascata determinasse la necessità di spegnere un ulteriore generatore, non ne verrebbe spento nessuno; detto in altro modo non verrebbero mai lasciati accesi meno di 3 generatori (nota bene: si intende che il sistema REG abilita 3 generatori i quali possono poi decidere di spegnere la fiamma/il compressore, perché determinano che la loro temperatura di mandata è soddisfatta);

• N. Generatori Massimo: indica il numero massimo di generatori che possono essere contemporaneamente accesi. Se sono abilitati 5 generatori, ma il numero massimo è pari a 3 significa che al massimo l’algoritmo può accendere 3 generatori anche se ne servirebbero 4. Questa scelta ha come conseguenza diretta il fatto che il set point potrebbe non essere mai raggiunto o potrebbe essere raggiunto, ma in un arco di tempo molto lungo.

I parametri Power e Temperatura degradata fanno riferimento all'algoritmo di controllo Cascata di Potenza, quindi i valori inseriti vengono ignorati in caso si selezioni l’algoritmo di controllo PI di Cascata.

Il risultato delle impostazioni effettuate è visualizzato nella parte in alto a destra della pagina OpenTherm “Stato Richiesta Generatori”:

• Abilita Set/Riscaldamento: se il quadrato ha la spunta significa che c'è una richiesta ai generatori e nel rettangolo a destra è indicato il set point richiesto. Per le pompe di calore il set point è di riscaldamento o di raffrescamento. Se il quadrato non è spuntato e il set point è a zero significa che dai circuiti non sta arrivando nessuna richiesta a OpenTherm.

• Abilita Set/Sanitario: se il quadrato ha la spunta significa che c'è una richiesta ai generatori e nel rettangolo a destra è indicato il set point richiesto per la produzione di Acqua calda Sanitaria. Se il quadrato non è spuntato e il set point è a zero significa che dai circuiti o dalla pagina ACS non sta arrivando nessuna richiesta a OpenTherm.

• Numero Generatori attivi (cascata): indica quanti generatori sono stati attivati per la cascata in riscaldamento o in raffrescamento (non per la produzione ACS).

• l’ultimo rettangolo in basso (riquadro giallo) è il countdown della pausa tra variazioni in centesimi di secondo.

Facendo sempre riferimento all'immagine relativa alla sezione Generatori della pagina OpenTherm:

si fa presente quanto segue:

• la produzione di Acqua Calda Sanitaria non risponde all'algoritmo di cascata PI;

• l’algoritmo PI accende i generatori OpenTherm in base alla priorità inserita e in base alla richiesta selezionata in terza colonna (Solo Riscaldamento, solo Raffrescamento o Sempre).

Nella parte inferiore della pagina OpenTherm si riporta per ogni generatore il risultato delle richieste di riscaldamento/raffrescamento e ACS (riquadro rosso) e il feedback dai generatori verso il sistema REG (giallo):

Evidenziato in rosso si trova:

• la richiesta di R = Riscaldamento, A = ACS e C = Condizionamento;

• la temperatura richiesta in riscaldamento o raffrescamento [°C];

• la potenza richiesta in riscaldamento o raffrescamento [%].

Se il generatore viene chiamato per la sola produzione ACS sia la temperatura richiesta che la potenza sono a zero, i valori che vengono passati in caso di produzione ACS sono quelli che si visualizzano in Stato Richiesta Generatori (in alto a destra nella pagina OpenTherm).

La pagina OpenTherm può gestire sia caldaie mediante protocollo OpenTherm (senza firmware dedicato) sia pompe di calore o caldaie mediante protocollo Modbus con firmware dedicato. In giallo si evidenziano i valori trasmessi dalla caldaia o dalla pompa di calore e sono strettamente legati a come il produttore dei generatori ha implementato il protocollo OpenTherm sulla caldaia o il protocollo Modbus sulla pompa di calore/caldaia (fare sempre riferimento alla documentazione del generatore a riguardo o nel caso di firmware dedicati alla documentazione fornita con il firmware). Passando con il mouse sopra i vari rettangoli/quadrati compare un tag con una descrizione estesa:

• Stato Generatore: indica in che stato si trova il generatore (G = guasto, R = riscaldamento, SA = Acqua sanitaria, F = fiamma, C = condizionamento, ecc.). Se non implementato nessun quadrativo verrà popolato con le spunte.

• Temperatura mandata, Temperatura ritorno, Temperatura ACS [°C]: sono le letture dei sensori del generatore se presenti e/o se mappate nel firmware dedicato.

• Pot.: potenza erogata dal generatore in %, in kW elettrici, in kW termici (fare riferimento al manuale del produttore della caldaia o al manuale del firmware dedicato).

• Errore OT: errori Opentherm più frequenti (Ra = richiesta assistenza, Rr = reset remoto abilitato, Bp = Bassa pressione acqua, ecc.). Nel caso di firmware dedicato fare riferimento alla documentazione fornita per la decodifica.

• Errore OEM: indicazione del numero dell’errore, fare riferimento al manuale del generatore per la diagnostica o alla documentazione del firmware dedicato.

• Reset: reset dell’errore, funziona solo se implementato o se la caldaia lo gestisce, fare riferimento al manuale del generatore per la diagnostica o alla documentazione del firmware dedicato.

ESEMPIO

Si ipotizza di avere selezionato 1 come numero di generatori Start e Minimo, mentre il numero Massimo è 9:

L’impianto in oggetto ha 4 generatori OpenTherm:

• G1 e G3 hanno priorità 1, G1 è abilitato solo in Riscaldamento, mentre G3 è sempre disponibile

• G2 ha priorità 2 ed è disponibile solo in Raffrescamento

• G4 ha priorità 3 ed è sempre disponibile

Partendo dalla condizione in cui tutti i generatori OpenTherm sono spenti la sequenza di accensione è la seguente:

• In Estate G3 → G2 → G4

• In Inverno G1 → G3 → G4

A parità di priorità l’accensione segue l’ordine numerico dei generatori per la prima accensione, mentre per le successive accensioni i generatori vengono fatti ruotare.

In Estate nessun generatore ha la stessa priorità, quindi l’ordine sarà sempre lo stesso (G3 → G2 → G4).

In Inverno G1 e G3 hanno la stessa priorità, durante la prima accensione la sequenza è G1 e poi G3, alla seconda accensione verrà acceso prima G3 e poi G1. G4 seguirà sempre in quanto ha una priorità più bassa.

Per quanto riguarda lo spegnimento vale la regola del “First On First Off”, quindi, prendendo il caso invernale, se per primo è stato acceso G1 poi G3 e infine G4, il primo a spegnersi sarà G4 in quanto ha priorità più bassa, poi tra G1 e G3 (che hanno la stessa priorità) il primo a spegnarsi è il primo che si era accesso, quindi G1.

Per quanto riguarda i parametri del controllo PI si è deciso di inserire 600 s, il che significa che per almeno 10 minuti dopo l’accensione o lo spegnimento di un generatore il sistema non modificherà il numero di generatori accesi. Mentre il delta T per cui il sistema deve subito inserire un generatore è 2 K, quindi si utilizza il valore 80 per Pid P, il tempo di ritardo per l’accensione del secondo generatore è di circa 20 minuti inserendo un Pid I di 40.