Lösungskonzept Einzelraumregelung Heizung mit 1-Wire

[FilliFairy]

Nachdem ich mehrere Räume mit FHEM und Homematic Komponenten (HM-CC-RT-DN, HM-CC-TC, HM-CC-VD, HM-SEC-SC) automatisiert habe, war ich mit dem Ergebnis sehr zufrieden. Es ließen sich Optimierungen der Heizkesselsteuerung vornehmen und die Heizkosten entwickelten sich in die richtige Richtung.
Nach einiger Laufzeit machten sich die ersten Geräte bemerkbar, bei denen die Batterie zur Neige ging. Bei den meisten Devices ist dies nach mehr als einem Jahr Betriebszeit der Fall. Einige wenige HM-SEC-SC2 halten nur wenige Monate durch. Eine Ursache konnte ich bisher nicht identifizieren. Mittlerweile geht mir das Wechseln der Batterien auf den Nerv.

Ein zweiter Grund für die Suche nach Alternativen war die Diskussion in der Familie, dass die Funk Devices den Elektrosmog im Haus erhöhen und dass negative Auswirkungen auf die Gesundheit zu befürchten seien. Das Systemdesign von Homematic mit geringer Sendeleistung und limitierter Stundenleistung spricht eher für einen sehr geringen Beitrag zum Elektrosmog im Haus. Aber die Diskussion in nun mal da.

Also machte ich mich auf die Suche nach einer kabelgebundenen Lösung für die Einzelraumregelung. Nachdem KNX auf Grund hoher Kosten bereits bei der Auswahl von FHEM / Homematic ausgeschieden ist, bin ich auf 1-Wire aufmerksam geworden. Die ersten Gehversuche mit Temperatursensoren und Schaltaktoren waren sehr ermutigend. Somit wagte ich mich zur Temperaturregelung vor.

Bisher ist noch nicht alles in Betrieb. Die Kernkomponente der Heizungsregelung ist zum Ende der Heizperiode gut gelaufen. Der Rest ist dann Feintuning.

Geräteauswahl:
1-Wire Schnittstelle: 1-Wire USB Interface mit DS2480 (ebay)

Ansteuerung Ventil und Fensterkontakt:   Dual I/O Modul (DS2413), (Art. 11205, eservice-online.de)
   
Raumklima: Unterputz Wohnraumsensor (DS18B20), (Art. 11123, eservice-online.de),    noch nicht in Betrieb, Ist-Temperatur wird noch über HM-WDS40-TH-I erfasst

Fensterkontakt: Reedkontakt Einbau/Aufbau 5m, (Art. 11351, eservice-online.de), noch nicht in Betrieb genommen

Thermoelektrisches Ventil: Möhlenhoff Alpha5, 230 V


Software Struktur:
Generell habe ich den OWFS als Verbindung zum USB Interface genutzt. Kurzzeitig hatte ich auch mal mit OWX getestet, fand dann aber OWFS einfacher zu handhaben. In die Tiefe der genauen Vor- und Nachteile von OWX und OWFS bin ich nicht gegangen.
 
Das Blockschaltbild im Anhang zeigt den Aufbau.

Heating_Control:
Gibt die Soll-Temperatur an Hand eines Wochenzeitprogramms für den PID Regler vor. Zusätzlich wertet das Device die den Reedkontakt für die Fensteröffnung über den Kanal B des DS2413 aus.

PID20:
Erzeugt die Stellgröße 0 ..100 % für die PWM Erzeugung aus. Eingestellte Parameter:
   pidActorInterval = 210 (siehe PWM Erzeugung)
   pidActorTreshold = 5
   pidFactor_D =0.5
   pidFactor_I =0.2

PWM Erzeugung:
Ist über drei dummy Variablen gelöst: cycleTime, onTime, actuator. Die cycleTime bestimmt die Zeitdauer für einen on/off Zyklus. Bei einer Änderung von actuator wird eine neue onTime errechnet und ein at / on-for-timer Ablauf neu gestartet. Das gewählte Ventil hat eine Auf/Zu Laufzeit von 210 sec. Dies habe ich als cycleTime eingestellt. Totzeit und Verharrungszeit sind nicht bekannt und bleiben daher erst mal aussen vor.

Diskussion:
Verwöhnt von den Homematic Komponenten ist der Do-it-yourself Anteil bei 1-Wire deutlich höher. Verkabelung, Spannungsversorgung o.ä. möchte ich an dieser Stelle gar nicht diskutieren – das ist ja ein Systemmerkmal. Die Dokumentation der Devices ist spärlicher, weniger ausführlich und mit weniger Beispielen illustriert.
Absolut Klasse war die Leichtigkeit mit der sich Heating_Control, PID und PWM Erzeugung untereinander und mit den 1-Wire Devices verschalten ließen. Ein großes Lob an die Autoren und Maintainer – gut gemacht !

Ein paar Ideen zur Verbesserung des Gesamtsystem möchte ich zur Diskussion stellen:

Die PWM Erzeugung ist über die dummys nicht sehr einfach zu instanzieren. In einer ruhigen Stunde werde ich mal versuchen ein Device daraus zu erzeugen.

Das Wochenprogramm für Heating_Control wird bei der Device Erzeugung angegeben. Eine Möglichkeit der Änderung zur Laufzeit habe ich bisher nicht entdeckt. Schick wäre es, wenn der HMinfo Mechanismus der tempList verwendbar wäre. Weiterhin stünde eine wöchentliche Entkalkungsfahrt auf der Wunschliste.

Die Regler Parameter der PID20 sind empirisch ermittelt und haben bisher nur das Ende einer Heizperiode als Reifezeit gehabt. Das Regelverhalten ist zu beobachten und ggf. die Parameter anzupassen.

So – das war mal ein kurzer Abriss zu meiner Lösung in Arbeit. Besteht Interesse an weiteren Details? Ausarbeitung von Codebeispielen?

Gruß
FillyFairy

[Michael20]

Schönes Projekt, wie weit bist du inzw? Nur schade das man für jeden Heizkörper/Reed Kontakt einen doch nicht ganz günstiges Dual I/O Modul (DS2413) Modul benötigt.

[Prof. Dr. Peter Henning]

Das ist, pardon, Unsinn.

Ein DS2413 kostet bei einem bekannten Versender 1,90 €  - was ist daran "nicht ganz günstig ?"

pah

[Michael20]

Kein Thema  Für mich als noch Laie, ist mir nicht klar was da noch an Technik/Schaltung nötig ist?

Vielleicht kannst du dazu ja beitragen 

[Thomas_SH]

Ansteuerung Ventil und Fensterkontakt:   Dual I/O Modul (DS2413), (Art. 11205, eservice-online.de)

Den Link habe ich mal angeklickt, das kommt aber nur das Koppelrelais. Hast du da eine Artikelnr. vertauscht? Ausserdem ist es ein Standart-Finder-Relais, Industrieware, überall erhältlich (nur als Hinweis, das es dieses Teil "überall" gibt)

Thomas

[FilliFairy]

Hallo Thomas_SH,

hier der Link zur Webseite:

http://www.eservice-online.de/produkte/1-wire-bus/eingang-ausgang-zaehler/71/1-wire-dual-digital-ein/ausgangsmodul

Der Punkt bei diesem Modul ist die Schaltung des Ventils über ein Halbleiterrelais (kein mechan. Verschleiss, kein Relais klackern).

@Michael20 : der DS2413 selbst ist nur der 1-wire Chip (wie pah richtig bemerkte ein Pfennigartikel). Dazu kommt ja dann die weitere Beschaltung, PCB, Klemmen, Gehäuse, etc.  Also preislich geht das für mich i.O. Falls jemand alternative Produkte kennt, bin ich für einen Hinweis dankbar.

Gruss

FillyFairy

[Thorsten Pferdekaemper]

Hi,

ich bin gerade auf diesen Thread gestoßen, weil ich mir etwas ähnliches überlege.
Reden wir hier tatsächlich über normale Heizkörper oder über Fußbodenheizung? Letzteres wäre für mich nicht so interessant.
Die Stellantriebe, sind das tatsächlich solche 12€-Teile? ...bzw. etwa 15€ in der 24V-Ausführung?
Klappt das mit dem 210-Sekunden PWM tatsächlich, die Dinger einigermaßen auf Zwischenstellungen zu bringen, oder gehen die einfach ständig auf und zu? Ich denke, letzteres wäre für ein normales Heizsystem nicht so schön (oder?).

Wenn das tatsächlich so einfach geht, dann frage ich mich, warum das nicht mehr Leute so machen. Das einzig "hässliche" ist das Kabel zum Stellantrieb, aber wenn man mal richtig renoviert, dann lässt sich das ganz gut verstecken. Ansonsten (für die 24V-Variante) reicht da auch ein MOSFET oder ähnliches. Dann eine Steuerung per Homematic-Wired-Homebrew und perfekt...

Gruß,
   Thorsten

[Tobias]

Hi,
die Möllenhoff Stellantriebe können PWM? Ich habe noch nicht ganz verstanden :
1. wofür die Stellantriebe PWM benötigen? Drehen Sie dann langsam oder schneller auf/zu?
2. Wie man das PWM Signal zum Stellantrieb bekommt. Der DS2413 kann ja nur 1/0, also An oder Aus
3. Wie man die durch PID20 errechneten Öffnungsgrad nun genau auf den Stallantrieb bringt damit dieser diesen Öffnungsgrad auch t atsächlich abbildet.


Ich habe vor einem Jahr unser neues "altes" Haus komplett innen saniert. Dabei habe ich gleich vom Keller bis zu jeder Heizung/ bis zu jedem Fenster/ bis zu einem TempMessPunkt pro Raum ein Eib-Buskabel verlegt. LinienArt, Pro Zusammenhängende Räume ein Kabel.
Ich benutze MAX und HM Thermostate. Mir ging es ebenfalls um das lästige Batterien-wechseln. Ich habe über das Buskabel 5V in jedem Raum gebracht und will die 5V direkt and die HM Thermostate bringen. An die MAX Thermostate über einen 3V Step-Down Linearregler

Als Fensterkontakte habe ich an jeder Fensterlaibung Unterputz-Panstamps (Mini-Arduinos mit Funkmodul) ebenfalls an der 5V leitung mit Linear StepDown Wandler und pro Fensterflügel 2 Reedkontakte hängen.

Die Buskabel münden alle im Keller vor meinem 19"Rack, da ist ein Schaltkasten wo ich in das Buskabel 5VDC und 12VDC einspeise. Die Netzteile kommen noch an eine 19" Rack USV dran

[Prof. Dr. Peter Henning]

Diese Stellantriebe "drehen" gar nicht. Sondern ein Kunststoffteil wird darin erwärmt, verbiegt sich und lässt dem Ventilstößel mehr Raum (sehr grobe Beschreibung - aber das führt zur Bezeichnung "thermoelektrisch").

Das Ziel ist also, mit einer sehr nichtlinearen und auch nicht bekannten Kennlinie per PWM so viel Energie dort hinein zu pumpen, dass gerade eine bestimmte Ventilstellung erreicht wird.

LG

pah

[UweH]

Das Ziel ist also, mit einer sehr nichtlinearen und auch nicht bekannten Kennlinie per PWM so viel Energie dort hinein zu pumpen, dass gerade eine bestimmte Ventilstellung erreicht wird.

Zumindest außerhalb von FHEM funktioniert es, ist bei einer Loxone standardmäßig implementiert. Hab ich vor kurzem umgesetzt, die Loxone steuert über KNX-Heizungsaktoren die Stellventile per PWM und hält sie damit auf einer vorgegebenen prozentualen Öffnung.

Gruß
Uwe

[Thorsten Pferdekaemper]

die Möllenhoff Stellantriebe können PWM?

Das kommt darauf an, was man unter "können PWM" versteht. Es scheint so, dass "klassische" Hausautomatisierer PWM bei Stellantrieben so verstehen, dass man mit einer Zykluszeit im Bereich mehrerer Minuten arbeitet. D.h. der Stellantrieb geht tatsächlich meistens komplett auf und zu. So gesehen kann jedes Gerät, was sich ein- und ausschalten lässt irgendwie PWM.

Ich habe noch nicht ganz verstanden :
1. wofür die Stellantriebe PWM benötigen? Drehen Sie dann langsam oder schneller auf/zu?

Siehe Antwort von pah.

2. Wie man das PWM Signal zum Stellantrieb bekommt. Der DS2413 kann ja nur 1/0, also An oder Aus

Ja, genau. PWM ist ja nichts anderes als mehr oder weniger schnell mehr oder weniger an bzw. aus zu machen.

3. Wie man die durch PID20 errechneten Öffnungsgrad nun genau auf den Stallantrieb bringt damit dieser diesen Öffnungsgrad auch t atsächlich abbildet.

Das bekommt man wahrscheinlich nicht wirklich hin. Es ist aber auch fast egal. Die Hauptsache ist, dass "PWM-Rate zu Wärmeabgabe" eine monotone Funktion ist, die wenigstens einen streng monotonen Bereich hat. (Oder so.) Anders gesagt: Mehr PWM muss im Prinzip mehr warm ergeben. Dann kann man regeln. Natürlich wäre es wünschenswert, den Prozess komplett im Griff zu haben, aber das geht nur mit viel teureren Geräten.

Ich benutze MAX und HM Thermostate. Mir ging es ebenfalls um das lästige Batterien-wechseln. Ich habe über das Buskabel 5V in jedem Raum gebracht und will die 5V direkt and die HM Thermostate bringen. An die MAX Thermostate über einen 3V Step-Down Linearregler

Mir geht es gar nicht so sehr um die Batterien, als vielmehr darum, die Ventile besser im Griff zu haben. Mit den HM-Reglern wird das bei mir mehr und mehr zum Murks. Kabel zu den HM-Thermostaten zu legen wäre für mich das unschöne mit dem ungewünschten zu verbinden.

Diese Stellantriebe "drehen" gar nicht. Sondern ein Kunststoffteil wird darin erwärmt, verbiegt sich und lässt dem Ventilstößel

Soweit ich das bisher herausgelesen habe, gibt es mindestens drei Mechanismen:

• Den von Dir beschriebenen.
• Eine Flüssigkeit, die bei der Erwärmung gasförmig wird. Beim Phasenübergang geht das Ventil jeweils relativ schnell auf bzw. zu, aber vorher und nachher dauert es immer ein bisschen. Das ist für eine "stetige" Ansteuerung nicht wirklich gut.
• Ein Öl, das sich bei Erwärmung relativ stark ausdehnt (aber flüssig bleibt). Wenn man so etwas erwischt, dann dürfte man mit PWM eine Chance haben.

Das Ziel ist also, mit einer sehr nichtlinearen und auch nicht bekannten Kennlinie per PWM so viel Energie dort hinein zu pumpen, dass gerade eine bestimmte Ventilstellung erreicht wird.

...oder dass das Ventil so auf und zu fährt, dass es im Mittel die gewünschte Ventilstellung ergibt. Das, was man per PWM diesen Teilen "antut" liegt wahrscheinlich irgendwo dazwischen.
Wahrscheinlich muss man das wirklich mal ausprobieren.

Gruß,
   Thorsten

[Thorsten Pferdekaemper]

Zumindest außerhalb von FHEM funktioniert es, ist bei einer Loxone standardmäßig implementiert. Hab ich vor kurzem umgesetzt, die Loxone steuert über KNX-Heizungsaktoren die Stellventile per PWM und hält sie damit auf einer vorgegebenen prozentualen Öffnung.

Dazu hätte ich drei Fragen:

• Woher weißt Du, dass die Stellventile auf einer vorgegebenen prozentualen Öffnung gehalten werden?
• Was für Antriebe sind das?
• Mit welcher Zykluszeit arbeitet die PWM?

Danke&Gruß,
   Thorsten

[UweH]

Dazu hätte ich drei Fragen:

• Woher weißt Du, dass die Stellventile auf einer vorgegebenen prozentualen Öffnung gehalten werden?
• Was für Antriebe sind das?
• Mit welcher Zykluszeit arbeitet die PWM?

Danke&Gruß,
   Thorsten

zu 1. Ist am Ventil schön anhand des eingebauten Zeigers zu sehen
zu 2. Für den genauen Typ müsste ich gelegentlich nachsehen, es sind aber "normale" thermoelektrische Antriebe wie von pah beschrieben. Die Dinger brauchen ein paar Minuten bis zur vollen Öffnung und werden dann auch merklich warm (auch ohne Warmwasser im System )
zu 3. Direkt gemessen habe ich das nicht, durch die Status-LEDs der Heizungsaktoren sieht man aber recht gut, in welchem Takt die Ventile angesteuert werden. Das bewegt sich im Sekundentakt, keine minutenlange Ansteuerung (nur beim Hochfahren etwas länger). Eher das Prinzip lustiges Mäusekino als gemächliches Ein und Aus.

Die nötige Ventilstellung berechnet die Loxone anhand der Temperaturen und in der Loxone Heizungssteuerung wird dann die Ventilöffnung auch als prozentualer Wert ausgegeben.

Gruß
Uwe

[Thorsten Pferdekaemper]

zu 1. Ist am Ventil schön anhand des eingebauten Zeigers zu sehen

Cool, das gibt Hoffnung.

zu 2. Für den genauen Typ müsste ich gelegentlich nachsehen, es sind aber "normale" thermoelektrische Antriebe wie von pah beschrieben. Die Dinger brauchen ein paar Minuten bis zur vollen Öffnung und werden dann auch merklich warm (auch ohne Warmwasser im System )

Es wäre nett, wenn Du mal nachschauen könntest. Da scheint es nämlich verschiedene Konstruktionen zu geben und ich vermute, dass die auf das PWM unterschiedlich reagieren.

zu 3. Direkt gemessen habe ich das nicht, durch die Status-LEDs der Heizungsaktoren sieht man aber recht gut, in welchem Takt die Ventile angesteuert werden. Das bewegt sich im Sekundentakt, keine minutenlange Ansteuerung (nur beim Hochfahren etwas länger). Eher das Prinzip lustiges Mäusekino als gemächliches Ein und Aus.

Mit Sekundentakt, meinst Du da mehrere Schaltvorgänge pro Sekunde, in etwa eine Sekunde zwischen den Schaltvorgängen oder mehr so 15-30 Sekunden pro Schaltvorgang?

Gruß,
   Thorsten

[Morgennebel]

Meine Möhlenhoff Stellantriebe werden nicht warm - verbrauchen aber nur 1W (230V) im angeschalteten Zustand und brauchen gut 2-3 Minuten.

Ich vermute mal, wenn "more Power" vorhanden ist, daß die Dinger auch schneller schalten können. Damit steigt dann aber auch der notwendige Strom für jeden Radiator - und das wird auf die Jahre gesehen doch teurer...

Thorsten, welches Problem hast Du den mit den Ventilen der Homematic-Stellantriebe im Detail?

Ciao, -MN