Компания ИнКата должна была разработать технические решения для внедрения технологии учета и управления расходом горячей воды на основе промышленного интернета вещей. Техническое решение предназначено для обеспечения точности учета объемов, температуры и потребления тепловой энергии в горячем водоснабжении.

Разработка системы мониторинга тепловой энергии проводились поэтапно. Первый этап - прикладные исследования и разработка основных алгоритмов на основе теории термодинамики и гидродинамики. Этап выполнялся в несколько итераций. Всего было разработано 6 алгоритмов, которые обеспечили контроль над различными температурными и термодинамическими параметрами промышленного горячего водоснабжения, а также интегрировали разработанную систему управления и мониторинга горячей воды в существующую инфраструктуру и обеспечения.

После получения первых версий алгоритмов мы приступили к разработке электронной части системы. Наши инженеры выполнили 4 итерации прототипирования печатных плат, чтобы подтвердить работоспособность алгоритмов. Печатные платы были разработаны на микроконтроллерах семейства STM. Контроллер оснащен несколькими настраиваемыми PID-регуляторами и использует алгоритм регулирования подачи тепловой энергии на основе данных о ее потребляемой мощности, получаемых от теплосчетчика. Для календарного управления режимами нагрева на плате установлены часы реального времени. Параметры календарного управления задаются с помощью пользовательского программного обеспечения.

Для архивирования данных измерений на плате контроллера установлены две микросхемы EEPROM. Доступ к данным осуществляется через интерфейс RS-485, который можно использовать при включении контроллера в систему SCADA. Параметры контроллера устанавливаются локально через интерфейс оператора или удаленно через RS-485. В настоящее время реализованы четыре схемы регулируемых объектов, а общее количество регулируемых параметров в максимальной схеме достигает 206. Чтобы достичь метрологической точности (прибор внесен 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 того чтобы стенд мог функционировать, мы разработали тестовую прошивку, которая позволила управлять им из сервисной программы для Windows через USB-интерфейс компьютера.

После завершения разработки алгоритмов мы спроектировали проточные части регулирующих клапанов, адаптированные для размещения датчиков и системы измерения. Мы разработали конструкцию клапана на основе результатов компьютерного моделирования, чтобы достичь линейной зависимости расхода горячей воды от хода плунжера. Для определения геометрических параметров проточной части регулирующего клапана (форма профиля плунжера, коэффициент гидравлического сопротивления, пропускной характеристики регулирующего клапана) ИнКата использовала моделирование методом конечных элементов (CFD анализ). Первые итерации моделирования показали, что геометрия профилей плунжеров базового варианта не обеспечивала требуемый уровень линейности пропускной характеристики клапана, поэтому мы оптимизировали конструкцию плунжера, чтобы достичь требуемой геометрии профиля.

Результаты компьютерного моделирования были дополнены ранее полученными в ходе тестирования прототипа параметрами. После расчета “идеального” профиля, соответствующего конструкции, ИнКата запустила его серийное производство для пилотного проекта.

Испытания в реальных условиях показали, что система автоматически регулирует подачу тепла или горячей воды, обеспечивая баланс энергопотребления в помещениях или системах. Такой функционал не предусматривает ни один из существующих терморегуляторов.

Для массового производства потребовалась адаптация конструкции проточной части клапана под мелкосерийное производство. Мы разработали оснастку для сварки проточных частей клапанов, а также стенд для проверки качества сварки.

Аналогичную адаптацию конструкторской документации для мелкосерийного производства выполнили и для электронной части системы. Для тестирования печатных плат был разработан испытательный стенд, который использовался для выявления брака во время серийного производства.

Команда ИнКаты успешно завершила НИОКР и достигла уровня готовности технологии УГТ-9. На данный момент Заказчик производит систему для собственных нужд, а также реализует на рынке части системы. Система прошла метрологическую сертификацию и официально используется для проверки систем учета горячей воды.

Помимо прямой экономии на тепловой энергии, разработанное решение не требует калибровки благодаря математическим алгоритмам и продуманной конструкции. Это позволяет отказаться от стандартных теплосчетчиков, требующих калибровки каждые 2-4 года, что подразумевает демонтаж и доставку счетчиков в лабораторию. Отказ от калибровки снижает расходы на эксплуатацию.