View
0
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Tadej Marčič
AVTOMATIZACIJA UPORABE DEŽEVNICE KOT SANITARNO VODO
Diplomsko delo
Maribor, avgust 2011
I
Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa
AVTOMATIZACIJA UPORABE DEŢEVNICE KOT SANITARNO VODO
Študent: Tadej Marčič
Študijski program: VS ŠP Elektrotehnika
Smer: Avtomatika in robotika
Mentor: viš. pred. mag. Janez Pogorelc
Lektorica: Polona Arh
Maribor, avgust 2011
II
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju viš. pred. Janezu
Pogorelcu za pomoč in vodenje pri opravljanju
diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem
bratu Simonu, ki mi je omogočil, da sva sistem
realizirala v njegovi hiši.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi
omogočili študij ter punci za vso vspodbudo in
podporo.
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju viš. pred. mag. Janezu
Pogorelcu za pomoč in vodenje pri opravljanju
diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem
bratu Simonu, ki mi je omogočil, da sva sistem
realizirala v njegovi hiši.
Posebna zahvala staršem, ki so mi omogočili
študij ter punci za vso spodbudo in podporo.
IV
AVTOMATIZACIJA UPORABE DEŢEVNICE KOT SANITARNO
VODO
Ključne besede: varčevanje s pitno vodo, meritev nivoja, Siemens LOGO!, mešalni
ventil, deţevnica, avtomatizacija uporabe vode
UDK:681.52:621.865(043.2)
Povzetek
Diplomsko delo opisuje avtomatizacijo uporabe deževnice v sanitarne namene, za
zalivanje, pranje avtomobilov ipd. Za krmilje sistema smo uporabili krmilnik Siemens
LOGO!, ki je bil izbran glede na zahteve projekta, dve črpalki ter mešalni ventil. Vodo,
ki priteče iz strehe, hranimo zunaj v vodnjaku, nato pa jo črpamo v hišno napeljavo. V
primeru, da se vodnjak izprazni, sistem preklopi na vodo iz lokalnega vodovoda, dokler
se vodnjak ne napolni do nekega nivoja. Izračunali smo prihranek vode ter dejansko
ekonomično učinkovitost sistema.
V
AUTOMATION USING OF RAINWATER AS SANITARY WATER
Key words: saving of drinking water, level measurement, Siemens LOGO!, mixing
valve, rainwater, automation of water use
UDK: 681.52:621.865(043.2)
Abstract
The diploma work describes the automation of rainwater in the sanitary purposes for
watering, washing cars, etc.. We used Siemens LOGO as the system controller, which
was selected according to the requirements of the project; two pumps, and mixing valve.
The water which flows from the roof is kept in the well outside and then pumped into the
house wiring. In the event that the well is empty, the system switches to the local tap
water until the well fills up to the certain level. We calculated the actual water savings
and cost-effectiveness.
VI
VSEBINA
1 UVOD ...................................................................................................................... 1
1.1 SPLOŠNO O PORABI IN MOŢNOSTIH VARČEVANJA Z VODO ................................... 1
1.2 OPIS SISTEMA KOT CELOTE ................................................................................. 2
1.3 KRMILNA PLOŠČA ............................................................................................... 3
2 KRMILNIK SIEMENS LOGO! ........................................................................... 5
2.1 OPIS KRMILNIKA ................................................................................................. 5
2.2 TEHNIČNE KARAKTERISTIKE ............................................................................... 6
2.3 ANALOGNI VHOD ................................................................................................ 7
2.4 PROGRAMIRANJE PREKO PC-JA ........................................................................... 8
3 MERITEV NIVOJA VODE V VODNJAKU ..................................................... 11
3.1 POTENCIOMETER MULTITURN ........................................................................... 11
3.2 DIMENZIONIRANJE JERMENICE .......................................................................... 12
3.3 DIMENZIONIRANJE PLOVCA IN UTEŢI ................................................................ 13
4 ČRPALKI IN MEŠALNI VENTIL .................................................................... 14
4.1 KARAKTERISTIKA ČRPALK ................................................................................ 14
4.2 ČRPALKA PKM 65 IN HIDROFOR........................................................................ 14
4.3 HIDROPAK......................................................................................................... 16
4.4 KARAKTERISTIKA MEŠALNEGA VENTILA .......................................................... 18
5 ZAKLJUČEK ....................................................................................................... 20
5.1 EKONOMIČNA UČINKOVITOST SISTEMA ............................................................. 20
5.2 MOŢNE IZBOLJŠAVE .......................................................................................... 21
5.3 SKLEP ............................................................................................................... 22
6 LITERATURA ..................................................................................................... 23
7 PRILOGE .............................................................................................................. 24
7.1 SEZNAM SLIK .................................................................................................... 24
7.2 SEZNAM TABEL ................................................................................................. 25
7.3 SEZNAM GRAFOV .............................................................................................. 25
VII
7.4 PROGRAM TER ELEKTRO NAČRT VEZJA ............................................................. 25
7.5 NASLOV ŠTUDENTA........................................................................................... 30
7.6 KRATEK ŢIVLJENJEPIS ....................................................................................... 30
VIII
UPORABLJENI SIMBOLI
h – uporabljena višina vodnjaka
o – obseg jermenice
d – premer jermenice
r – polmer jermenice
Sh – senzor nivoja
Čd – črpalka deţevnice (del hidropak-a)
Pd – posoda deţevnice (del hidropak-a)
Čp – črpalka pitne vode
Pp – posoda pitne vode (hidrofor)
Std – tlačno stikalo deţevnice (del hidropak-a)
Stp – tlačno stikalo pitne vode
IX
UPORABLJENE KRATICE
DIN – Nemški inštitut za standardizacijo in njegovi standardi
EMV –Elektromotorni ventil
PLK – Programirlivi logični krmilnik
DI – Digital input (digitalni vhod)
AI – Analog input (analogni vhod)
DO – Digital output (digitalni izhod)
PC – Personal computer (osebni računalnik)
RS – Flip-flop pomnilna celica
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 1
1 UVOD
1.1 Splošno o porabi in moţnostih varčevanja z vodo
Zaradi globalnega onesnaţevanja postaja pitna voda čedalje večje bogastvo, zato je toliko
bolj pomembno, da znamo z njo varčevati. Znano je, da je Slovenija z 61 m3 med
evropskimi drţavami nekje v povprečju glede na letno porabo vode na prebivalca [10]. Od
tega več kot polovico vode porabimo v gospodinjstvih ( 42 m3 letno), kar je dnevno
pribliţno 117 litrov na prebivalca.
Graf 1: Povprečna poraba vode v gospodinjstvu
Moţnosti varčevanja z vodo je veliko; da med umivanjem zob zapiramo vodo, da za kuho
ne uporabljamo prevelikih posod, da namesto kopanja izberemo prhanje.... Eden izmed
načinov varčevanja pa je tudi ta, da tam, kjer je to mogoče (splakovanje stranišč, zalivanje,
pranje avtomobilov ipd.) namesto pitne vode uporabimo deţevnico.
V ta namen smo zgradili sistem, ki kot sanitarno vodo uporablja meteorno vodo, ki pade na
streho, nato pa se shrani v vodnjaku. V primeru, da se vodnjak izprazni, sistem avtomatsko
preklopi na vodo iz lokalnega vodovoda.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 2
1.2 Opis sistema kot celote
Krmilje sistema (Slika 1.1) smo izvedli s krmilnikom Siemens LOGO! 12/24RC, z
osmimi digitalnimi vhodi (od katerih so štirje lahko analogni) in štirimi relejskimi izhodi.
Preko analognega vhoda smo priključili večobratni (multiturn) potenciometer1 Sh, ki
zaznava nivo vode v vodnjaku. Kot izhodne aktuatorje smo uporabili črpalko Čd, ki je del
hidropaka in preko filtra črpa vodo iz vodnjaka v posodo hidropaka Pd, črpalko Čp ki
ustvarja tlak pitne vode iz lokalnega vodovoda v hidrofor Pp ter mešalni ventil EMV, ki
pošilja izbrano vodo v hišno napeljavo. Za povratno informacijo o doseţenem ţelenem
tlaku v posamezni posodi smo uporabili tlačni stikali Stp in Std.
Slika 1.1: Shema celotnega sistema
Ko je nivo deţevnice v vodnjaku dovolj visok, sistem uporablja vodo iz vodnjaka. V
primeru, da nivo deţevnice pade pod minimalni nivo, sistem preklopi na vodo iz lokalnega
vodovoda ter preklopi nazaj, ko nivo zopet naraste nad določeno histerezo.
V primeru, da katera izmed črpalk po določenem času ne doseţe ţelenega tlaka v posodi
(tlačno stikalo ne preklopi), mora krmilnik ugasniti črpalko ter javiti napako. Sistem ima
preko krmilne plošče moţnost ročnega vodenja črpalk in ventila, kot tudi svetlobno
indikacijo stanj in morebitnih napak.
1 Potenciometer z več obrati
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 3
Slika 1.2: Slika celotnega sistema
1.3 Krmilna plošča
Krmilno ploščo smo namestili na vrata krmilne omare, sluţi pa nam za spremljanje in
upravljanje sistema. Tako nam omogoča preklop med ročnim in avtomatskim načinom
delovanja črpalk ter mešalnega ventila, signalizacijo napake posamezne črpalke, prikaz
izbranega reţima delovanja ter ročno brezpogojno vodenje črpalk.
Tipki z lučko (Slika 1.3) levo zgoraj nam omogočata brezpogojno1 vodenje črpalk, lučka
pa nas opozarja na napako posamezne črpalke2.
1 od tlačnih stikal neodvisno
2 izključitev pretokovne zaščite
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 4
Slika 1.3: Krmilna plošča
Signalni lučki desno zgoraj nam prikazujeta, katero vodo uporablja sistem.
Stikalo ČRPALKA 1 se nanaša na pitno vodo in nam omogoča preklop med ročnim
načinom delovanja črpalke, izklopom črpalke ter avtomatskim načinom delovanja črpalke.
V primeru, ko je preklopno stikalo v poloţaju ročno, se črpalka vklaplja glede na tlačno
stikalo na hidroforju in ni časovne omejitve delovanja črpalke. V primeru, ko je stikalo v
poloţaju avtomatsko, imamo dodano varnostno časovno omejitev (5 minut), ki preprečuje,
da bi črpalka delovala v prazno, kar bi lahko pripeljalo do pregretja le-te. To bi se zgodilo
v primeru vzdrţevanja vodovoda, ko bi v cevi prišel zrak. Stikalo vsebuje tudi lučko, ki
sveti, kadar črpalka deluje.
Stikalo ČRPALKA 2 ima popolnoma enako funkcijo kot stikalo ČRPALKA 1, le da se vse
skupaj nanaša na črpalko, vgrajeno v hidropak, ki se uporablja za črpanje deţevnice.
Varnostni čas izklopa stikala ČRPALKA 2 v avtomatskem reţimu je zaradi manjše
kapacitete posode (le 20 litrov) nastavljen na 1 minuto.
Preklopno stikalo VENTIL nam omogoča preklop med ročnim ter avtomatskim načinom
delovanja ventila. Ko je stikalo na poloţaju avtomatsko, je poloţaj ventila odvisen od
nivoja vode v vodnjaku, ko pa je stikalo na poloţaju ročno, je poloţaj ventila odvisen od
zadnjega stikala VKLOP VENTILA DEŢEVNICA. Če je le-to stikalo vključeno, je v rabi
deţevnica, v nasprotnem primeru pa pitna voda.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 5
2 KRMILNIK SIEMENS LOGO!
Krmilnik Siemens LOGO! (Slika 2.1) je zaradi različnih moţnosti uporabe vsesplošno
razširjen in zajema zelo širok spekter področij, kot so nadzor strojev, nadzor motorjev,
črpalk in ventilov, zračnih kompresorjev, izpušnih sistemov in sistemov filtriranja, vodnih
čistilnih naprav, prometne infrastrukture, logističnih sistemov, dviţnih ploščadi, dvigal,
alarmnih sistemov, nadzorov razsvetljave, solarnih sistemov itd [2].
2.1 Opis krmilnika
S kar 38 integriranimi funkcijami, ki jih je moţno povezati v do 200 blokov, omogoča
izvajanje celovitih aplikacij. Za spremljanje delovanja ima vgrajen osvetljen 4-vrstični
zaslon z največ dvaintridesetimi znaki na vrstico, kar zagotavlja visoko stopnjo prijaznosti
do uporabnika. Besedilna sporočila omogočajo prikaz in nastavljanje trenutnih vrednosti
programskih parametrov, grafov ter stanj vhodno-izhodnih enot. Programiranje je zelo
enostavno, saj imamo moţnost direktnega programiranja na PLK-ju ali s pomočjo
programskega paketa preko računalnika. S preprostim programskim paketom LOGO! Soft
Comfort lahko projektiramo, simuliramo in dokumentiramo. Programiramo z uporabo
aplikacij povleci in spusti, kar nam omogoča maksimalno enostavnost upravljanja.
Slika 2.1: Krmilnik Siemens LOGO! 12/24RC
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 6
Krmilniki Siemens LOGO! delujejo v širokem temperaturnem območju (0-55°C) in nam
omogočajo enostavno in hitro pritrditev na DIN letev. Zaradi svoje zgradbe so odporni na
udarce, elektromagnetna polja ter klimatske pogoje kot so sprememba temperature in
vlage. Za razširjanje moţnosti nadziranja in spreminjanja parametrov lahko priključimo
dodatni zunanji prikazovalnik.
2.2 Tehnične karakteristike
Tabela 1: Tehnični podatki krmilnikov Siemens LOGO!
[3]
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 7
2.3 Analogni vhod
Krmilnik Siemens LOGO! 12/24RC ima štiri analogne vhode I1, I2, I7, I8, na katere lahko
priključimo napetost od 0 do 10 V (Slika 2.2). Predlagana vrednost upornosti
potenciometra s strani Siemensa je 5 kΩ. V primeru, ko imamo priključno napetost 12 V,
lahko le-to uporabimo direktno za analogni vhod, saj je razlika napetosti zanemarljiva (2
V). V našem primeru, ko je priključna napetost 24 V, pa moramo zaporedno s
potenciometrom vezati upor, na katerem je preostanek napetosti. Proizvajalec podaja, da je
to upor vrednosti 6,6 kΩ [1].
Slika 2.2: Analogni vhod krmilnika Siemens LOGO! 12/24RC
Programsko smo analogni vhod povezali na analogni komparator (Slika 2.3). Kot vhodni
senzor smo nastavili napetostni vhod od 0-10 V. Ker je ojačanje 1, je merilno območje od
0 do 1000 delcev. S histerezo (treshold) preklapljamo med deţevnico in pitno vodo. Ko
nivo deţevnice v vodnjaku pade pod spodnji nivo histereze (off), se izhod analognega
komparatorja postavi na 0 in sistem preklopi na pitno vodo vse dokler nivo zopet ne
naraste na zgornji nivo histereze (on). V našem primeru je nastavljena histereza od 200 do
220 delcev, kar je od 20-22 %. Preračunano v litre znaša histereza okrog 63 litrov, kar ob
morebitnih zelo majhnih padavinah prepreči nenehno preklapljanje ventila. Sistem v
avtomatskem reţimu delovanja vodnjaka ne more izprazniti pod 20 % ali dobrih 600 litrov,
kar sluţi kot rezerva vode v primeru suše, moţno pa jo je črpati v ročnem reţimu
delovanja.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 8
Slika 2.3: Analogni komparator
2.4 Programiranje preko PC-ja
Krmilnik Siemens LOGO! smo programirali preko osebnega računalnika s pomočjo
programskega paketa LOGO!Soft Comfort, verzije 6.1.16. Omenjen programski paket
nam bistveno poenostavi programiranje, saj nam med drugim omogoča:
offline izdelavo programa,
simulacijo krmilnega vezja (programa) na osebnem računalniku,
izdelavo in izpis sheme krmilnega vezja,
shranjevanje programov na trdi disk ali kakšen drug medij,
moţnost prenosa programa iz PC-ja v LOGO! in obratno,
prikaz stanja števca obratovalnih ur,
nastavitev točnega časa,
prehod iz letnega na zimski čas.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 9
Slika 2.4: Programski paket LOGO!Soft Comfort
Slika 2.5: Programiranje preko PC-ja
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 10
Programiranja smo se lotili v blokovni shemi z blok diagrami, saj je to najpreglednejši
način programiranja, ki nam ga programsko orodje omogoča. Najprej smo določili vhodne
ter izhodne bloke (I1, I2, I3, I4, AI1, Q1, Q2, Q3). Za varnostni izklop črpalk smo uporabili
funkcijo »On-delay« ali zakasnitev vklopa, s katero smo nastavili ţelene čase. Za določitev
stanja izhodov črpalk smo uporabili blok »Latching relay«, ki deluje kot spominska celica
RS. Analogni vhod merilnika nivoja smo priključili na analogni komparator, na katerem
smo nastavili ţelene parametre. Vse skupaj smo povezali v celoto s pomočjo logičnih
elementov.
Slika 2.6: Simulacija programa na PC-ju
Program smo najprej simulirali ter testirali na osebnem računalniku s pomočjo
programskega paketa LOGO!Soft Comfort.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 11
3 MERITEV NIVOJA VODE V VODNJAKU
Poznamo veliko različnih načinov merjenja nivoja, zato obstaja veliko različnih tipov
senzorjev nivoja. Tako poznamo kapacitivne senzorje nivoja, ultrazvočne senzorje, tlačne
sonde, merilnike nivoja z nivojskimi stikali itd.
Zaradi dokaj enostavne izvedbe ter predvsem zaradi nizke cene smo se odločili za merjenje
nivoja s pomočjo večobratnega (multiturn) potenciometra, na katerega smo preko sklopke
namestili jermenico. Preko nje smo napeli vrvico ter na eni strani pritrdili plovec, na drugi
pa obesili uteţ (Slika 3.1). Plovec lebdi na gladini vode, uteţ pa sluţi temu, da je vrvica
napeta.
Slika 3.1: Meritev nivoja vode
3.1 Potenciometer multiturn
Potenciometri spreminjajo upornost glede na poloţaj drsnika. Glede na izvedbo v grobem
poznamo dve skupini potenciometrov, to so linearni in rotacijski. Med slednje spada tudi
»multiturn« potenciometer, ki se od navadnih razlikuje v tem, da je njegov kot zasuka več
vrtljajev (10 ali 20). To doseţemo s polţasto osjo potenciometra, na kateri je nameščen
drsnik, ki drsi po navitju in s tem spreminja upornost (Slika 3.2).
V našem primeru smo izbrali »multiturn« potenciometer z desetimi vrtljaji vrednosti 5 kΩ,
ki upornost spreminja linearno, glede na kot zasuka.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 12
Slika 3.2: Zgradba multiturn potenciometra
3.2 Dimenzioniranje jermenice
Jermenico smo dimenzionirali na osnovi globine vodnjaka in števila vrtljajev
potenciometra. Dejanska globina vodnjaka je 3 m, vendar je zaradi odtočne cevi in doze s
potenciometrom uporabljene globine nekoliko manj.
Pri dimenzioniranju smo najprej izračunali obseg jermenice, iz tega pa premer, ki znaša
8,913 cm. Omeniti velja, da je to premer v utoru, tako je dejanski premer jermenice
nekoliko večji.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 13
3.3 Dimenzioniranje plovca in uteţi
Pri dimenzioniranju plovca in uteţi smo izhajali iz dejstva, da mora biti sila plovca enaka
seštevku sil vzgona in uteţi. Ker pa sila vzgona s potapljanjem plovca narašča, imamo
nekaj maneverskega prostora. Sila trenja na jermenici je v primerjavi z ostalimi silami tako
majhna, da smo jo zanemarili.
Slika 3.3: Plovec, uteţ in laks
Za plovec smo uporabili kos fasadnega stiropora dimenzije 10x10 cm ter višine 6 cm, ki
smo ga na spodnji strani obteţili z palicami iz nerjavečega jekla, tako smo dosegli maso
plovca 150 g.
Uteţ smo izdelali iz malega cvetličnega lončka, ki smo ga obrnili okoli ter na vrhu
privijačili pritrdilni kavelj. Lonček smo nato napolnili s cementno maso. Tako smo dosegli,
da je masa uteţi pribliţno 100 g.
Za povezovalno vrvico med plovcem in uteţjo smo uporabili tanko vrv iz umetne mase –
laks, ki je zanemarljivo lahek, hkrati pa dovolj močan.
Tako smo dosegli, da je masa plovca za faktor 1,5-krat večja od mase uteţi. Zaradi sile
vzgona plovec ne more potoniti, uteţ pa ga zaradi manjše mase ne more dvigniti.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 14
4 ČRPALKI IN MEŠALNI VENTIL
4.1 Karakteristika črpalk
Za zgraditev sistema smo potrebovali dve črpalki, eno za ustvarjanje tlaka vode iz
lokalnega vodovoda (ki ima pribliţno 1 bar) v hidrofor (2-3 bare), ter drugo, ki je vgrajena
v hidropak, za črpanje vode iz vodnjaka ter ustvarjanje tlaka (2-3 bare). Prva črpalka deluje
v vsakem primeru, saj črpa pitno vodo, ki se uporablja tudi drugod v gospodinjstvu, druga
pa samo v primeru, ko je mešalni ventil obrnjen na vodo iz vodnjaka.
Na relejske izhode krmilnika smo priključili močnostna kontaktorja za vklapljanje in
izklapljanje črpalk, zagotoviti pa smo morali tudi ustrezno varovanje črpalk, za kar smo
zaporedno pred črpalki priključili pretokovni zaščiti.
4.2 Črpalka PKm 65 in hidrofor
Črpalko za pitno vodo smo izbrali glede na potrebe po pretoku in tlaku. Izbrali smo črpalko
proizvajalca Pedrollo z oznako PKm 65 (Slika 4.1) [5].
Slika 4.1: Črpalka PKm 65
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 15
Slika 4.2: Tehnični podatki črpalke
Omenjena črpalka spada med centrifugalne ali turbinske črpalke. Gre za enofazno črpalko
z močjo 0,5 kW, nazivnih vrtljajev 2900 min-1
. Maksimalen tlak črpalke je 5 barov, pretok
črpalke pa z večanjem tlaka pada, kar je razvidno iz grafa.
Graf 2: Karakteristika črpalke
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 16
Izhod črpalke smo povezali na hidrofor iz nerjavečega jekla. Kapaciteta hidroforja je 170
litrov, nanj pa smo pritrdili tlačno stikalo ter barometer. S tlačnim stikalom (Slika 4.3)
nastavljamo histerezo tlaka v hidroforju, saj na njem nastavimo spodnji ter zgornji tlak
preklopa stikala. Tlačno stikalo smo priključili na digitalni vhod krmilnika in ga uporabili
kot informacijo o vklopu in izklopu črpalke, hkrati pa tudi kot varnostni izklop v primeru,
da po določenem času ţelen tlak v hidroforju ni doseţen. To se zgodi v primeru
vzdrţevanja vodovoda, ko v cevi pride zrak in je potrebno črpalko ponovno odzračiti. Če
bi dopustili, da črpalka deluje v prazno, bi to privedlo do pregretja le-te. Glede na meritev,
črpalka za napolnitev hidroforja potrebuje od 1,5 minute (v primeru, ko ni trenutnih
porabnikov vode) do 4-ih minut (v primeru, ko se voda sproti porablja). Tako smo čas
izklopa črpalke nastavili na 5 minut.
Slika 4.3: Barometer ter tlačno stikalo
4.3 Hidropak
Za črpanje vode iz vodnjaka ter ustvarjanje tlaka smo uporabili zgrajen sistem s črpalko,
shranjevalno posodo ter tlačnim stikalom zdruţen v celoto. Takšen sistem se imenuje
hidropak. Glede na podatke o višini črpanja (v našem primeru 4 m) ter ţelenem izhodnem
tlaku (cca 3 bare) smo izbrali hidropak prizvajalca CMI z oznako HWW 4600 Niro.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 17
Slika 4.4: Hidropak
Hidropak deluje, kadar sistem uporablja deţevnico. Črpalka se vključi, ko tlačno stikalo Std
zazna, da je tlak v tlačni posodi padel pod minimalni nivo in obratuje vse dokler tlak v
posodi ne doseţe maksimalnega nivoja. V slučaju, da se zamaši filter in črpalka ne more
doseči maksimalnega tlaka v posodi, jo krmilje po določenem času izključi. Glede na
meritve, je čas polnjenja tlačne posode 12 sekund, v primeru, ko ni trenutnih porabnikov
vode ter pribliţno 40 sekund, kadar se voda sproti porablja, zato smo varnostni izklop
nastavili na 1 minuto.
Slika 4.5: Tehnične karakteristike hidropak-a
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 18
4.4 Karakteristika mešalnega ventila
Naloga mešalnega ventila je, da preklaplja med pitno vodo in deţevnico. Zagotoviti smo
morali, da se vodi med sabo v nobenem primeru ne moreta pomešati, saj bi v nasprotnem
primeru deţevnica lahko prišla v lokalni vodovod. Na podlagi te zahteve smo izbrali
tropotni elektromotorni krogelni ventil EMV 110 serije 710 proizvajalca Firšt (Slika 4.6).
Slika 4.6: EMV
Elektromotorni ventili serije 710 spadajo med tropotne L ventile, kar pomeni, da imajo
dvotočkovno delovanje in se ustavljajo samo v končnih legah. Omenjeni krogelni ventili
omogočajo krmiljenje pretoka v smereh A-B ali B-C, čas vrtenja je 60 s za zasuk 180°.
Maksimalen izhodni moment pogona je 6 Nm, ima pa tudi moţnost izhodnega signala v
obeh končnih legah.
Za priključitev EMV smo uporabili 3-ţilno povezavo (Slika 4.7), saj pri tej vezavi ventil
krmilimo z mirovnim in delovnim kontaktom releja. V primeru, ko je rele aktiven, deluje
delovni kontakt in ventil se obrne v poloţaj A-B ter tako uporabljamo deţevnico, ko pa
rele ni aktiven, se preko mirovnega kontakta ventil obrne v poloţaj B-C, tako uporabljamo
pitno vodo.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 19
Slika 4.7: Priklučitev EMV ter smeri pretoka
Na desni sliki zgoraj vidimo moţne smeri pretoka EMV tipa 710 ter kote zasuka ventila.
Tako je razvidno, da je ventil popolnoma zaprt pri kotu zasuka 90°, pri kotu 0° prepušča
smer B-A, pri kotu 180°pa smer B-C.
Tabela 2: Karakteristike EMV
Napajalna napetost 230VAC, 50/60Hz
*24VAC, 50/60Hz
Priključni kabel 5 x 0.75mm2, dolžina: 1.5m
Tip motorja Sinhroni
Možnost ročnega krmiljenja z zasukom pogona
Indikator položaja na nosilcu ventila
Temperatura okolice 0°C do 55°C
Električni signal v končni legi 200VA, 50Hz
Rele modul, ki omogoča dvožično krmiljenje (SPST) možnost vgradnje
Max.obremenitev mikrostikal 5(1)A, 250VAC
Krmiljenje pogona 2-točkovno
Lastna poraba 3.5W
Stopnja zaščite pogona IP 55
Max. izhodni moment 6Nm
Čas vrtenja 60s/180°
Tip ventila tropotni krogelni ventil, polni presek
Priključki notranji navoj
Oblika pretoka L - med prekrmiljenjem popolnoma zapre pretok
Telo ventila medenina, nikljana
Krogla ventila medenina trdo kromena
Tesnila vratu VITON 3x, PTFE
Tesnilo krogle PTFE
Medij Voda, neagresivni mediji,...
Temperatura medija 0°C do 110°C
Max. Tlak 16 bar
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 20
5 ZAKLJUČEK
5.1 Ekonomična učinkovitost sistema
Če sklepamo, da dnevno porabimo 117 litrov vode na prebivalca ter od tega pribliţno 40 %
deţevnice, pridemo do izračuna, da je to skoraj 50 litrov na prebivalca na dan. V našem
primeru je sistem izveden v stanovanjski hiši s štiričlansko druţino, zato je povprečna
dnevna poraba deţevnice okoli 200 litrov. Če ta podatek mnoţimo s številom dni v letu,
pridemo do rezultata, da na leto prihranimo kar 73 m3 vode. Vendar pri tem ne smemo
pozabiti na dejstvo, da se v primeru sušnega obdobja vodnjak lahko izprazni. Tako je
dejanska poraba deţevnice nekje med 50 in 60 m3 letno.
Glede na to, da je cena vode 0,68 €/m3
[11], znaša letni prihranek pribliţno 40 €, kar je
skoraj zanemarljivo, saj je začetna investicija več kot 10 krat višja od letnega prihranka. To
pomeni, da se zaenkrat investicija v predstavljen sistem ne povrne kmalu, vendar se lahko
glede na trend naraščanja cene pitne vode v prihodnjih letih marsikaj spremeni.
Če pa na vso zadevo gledamo iz ekološkga stališča, pridemo do dejstva, da na leto
prihranimo kar 60.000 litrov pitne vode, ki postaja čedalje večje bogastvo.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 21
Slika 5.1: Varčuj z vodo… varuj ţivlenja
5.2 Moţne izboljšave
Glede na to, da je bil od zamisli do izvedbe zelo kratek rok, ima sistem kar nekaj
pomanjkljivosti.
Krmilno ploščo bi se dalo malo skrčiti ter izdelati bolj pregledno. Preklopni stikali
črpalk med ročnim in avtomatskim reţimom bi lahko zdruţili v enega.
Plovec in uteţ sta izdelana dokaj neprofesionalno, kar iz rekvizitov, ki smo jih našli
v domači delavnici. Obstaja moţnost, da bo s časom zaradi vlage v vodnjaku,
potenciometer začel nagajati, zato bi vsekakor bila dobrodošla zamenjava tega
preprostega uporovnega merilnika s katerim izmed industrijskih merilnikov nivoja,
npr. kapacitivnim senzorjem, ultrazvočnim senzorjem, tlačno sondo …
Prostornina hidropak-a je samo 20 l, tako je dejanska količina vode v njem le okoli
15 l, kar je malo, zato se dokaj pogosto vklaplja. V ta namen smo pripravili cev za
dodatno posodo - hidrofor. Ko ga bomo dodali, bo potrebno v programu spremeniti
čas varnostnega izklopa črpalke.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 22
5.3 Sklep
V današnjem času, ko je pitna voda čedalje večje bogastvo, so dobrodošle vse opcije
varčevanja z njo. V diplomski nalogi smo se lotili problema, kako deţevnico uporabiti v
vsakdanjem ţivljenju na avtomatiziran način.
Vodo, ki priteče iz strehe stanovanjske hiše z garaţo, površine cca. 110 m2 , smo speljali v
zunanji vodnjak, ki smo ga zgradili iz treh betonskih cevi notranjega premera 120 cm.
Zgradili smo sistem, ki nam omogoča, da to vodo uporabljamo v sanitarne namene, za
zalivanje, pranje avtomobilov ipd. V primeru da se vodnjak izprazni, sistem avtomatsko
preklopi na vodo iz lokalnega vodovoda.
Sistem smo zgradili z elektromotornim mešalnim ventilom, črpalko za pitno vodo,
hidroforjem ter črpalko za deţevnico, ki je vgrajena v hidropak. Krmilje smo izvedli s
krmilnikom Siemens LOGO!, saj smo ustreznega imeli na voljo. Ker je program na
krmilniku dokaj kratek, nam krmilnik omogoča še dodatne razširitve, saj ni popolnoma
zaseden. Nivo vode v vodnjaku smo merili na najenostavnejši ter najcenejši način. Izdelali
smo dozo, v katero smo vgradili »multiturn« potenciometer, os le-tega pa preko leţaja
povezali na jermenico, katere obseg smo prej izračunali. Na to jermenico smo obesili tanko
vrvico. Na en konec smo pritrdili plovec, drug konec pa obteţili z uteţjo. Tako smo preko
potenciometra dobivali podatek o nivoju vode.
Sistem v tej obliki deluje ţe več kot pol leta in zaenkrat se večje teţave še niso pojavile.
Enkrat se je zaradi čiščenja vodnjaka zamašil filter, vendar je krmilnik po nastavljenem
času izključil črpalko. Tudi v prihodnje večjih teţav ne pričakujemo, mogoče le z
merilnikom nivoja.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 23
6 LITERATURA
[1] Siemens LOGO! Manual edition 03/2009
[2] http://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/logic-
module-logo/Pages/Default.aspx
[3] http://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/logic-
module-logo/modular-basic-variants/Documents/e20001-a1120-p271-x-7600_20-22.pdf
[4] http://www.first.si/STRANI/a-EMV710.htm
[5] http://www.pedrollo.com/Pedrollo2006/Documents/UK/PK.pdf
[6] http://www.stat.si/novica_prikazi.aspx?id=3769
[7] http://www2.arnes.si/~sspbvrec/LOGO/LOGO%20Prirocnik.pdf
[8] http://www.zzv-ms.si/si/voda/Pitna-voda.htm
[9] http://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/logic-
module-logo/modular-basic-variants/Documents/e20001-a1120-p271-x-7600_20-22.pdf
[10] http://www.dnevnik.si/novice/slovenija/1042346548
[11] http://www.jkp-sentjur.si/upload/doc/25_Novi_cenik.pdf
http://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/logic-module-logo/Pages/Default.aspxhttp://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/logic-module-logo/Pages/Default.aspxhttp://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/logic-module-logo/modular-basic-variants/Documents/e20001-a1120-p271-x-7600_20-22.pdfhttp://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/logic-module-logo/modular-basic-variants/Documents/e20001-a1120-p271-x-7600_20-22.pdfhttp://www.first.si/STRANI/a-EMV710.htmhttp://www.pedrollo.com/Pedrollo2006/Documents/UK/PK.pdfhttp://www.stat.si/novica_prikazi.aspx?id=3769http://www2.arnes.si/~sspbvrec/LOGO/LOGO%20Prirocnik.pdfhttp://www.zzv-ms.si/si/voda/Pitna-voda.htmhttp://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/logic-module-logo/modular-basic-variants/Documents/e20001-a1120-p271-x-7600_20-22.pdfhttp://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/logic-module-logo/modular-basic-variants/Documents/e20001-a1120-p271-x-7600_20-22.pdfhttp://www.dnevnik.si/novice/slovenija/1042346548http://www.jkp-sentjur.si/upload/doc/25_Novi_cenik.pdf
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 24
7 PRILOGE
7.1 Seznam slik
Slika 1.1: Shema celotnega sistema ....................................................................................... 2
Slika 1.2: Slika celotnega sistema ......................................................................................... 3
Slika 1.3: Krmilna plošča ...................................................................................................... 4
Slika 2.1: Krmilnik Siemens LOGO! 12/24RC ..................................................................... 5
Slika 2.2: Analogni vhod krmilnika Siemens LOGO! 12/24RC ........................................... 7
Slika 2.3: Analogni komparator............................................................................................. 8
Slika 2.4: Programski paket LOGO!Soft Comfort ................................................................ 9
Slika 2.5: Programiranje preko PC-ja .................................................................................... 9
Slika 2.6: Simulacija programa na PC-ju ............................................................................ 10
Slika 3.1: Meritev nivoja vode ............................................................................................ 11
Slika 3.2: Zgradba multiturn potenciometra ........................................................................ 12
Slika 3.3: Plovec, uteţ in laks .............................................................................................. 13
Slika 4.1: Črpalka PKm 65 .................................................................................................. 14
Slika 4.2: Tehnični podatki črpalke ..................................................................................... 15
Slika 4.3: Barometer ter tlačno stikalo ................................................................................ 16
Slika 4.4: Hidropak .............................................................................................................. 17
Slika 4.5: Tehnične karakteristike hidropak-a ..................................................................... 17
Slika 4.6: EMV .................................................................................................................... 18
Slika 4.7: Priklučitev EMV ter smeri pretoka ..................................................................... 19
Slika 5.1: Varčuj z vodo… varuj ţivlenja ........................................................................... 21
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 25
7.2 Seznam tabel
Tabela 1: Tehnični podatki krmilnikov Siemens LOGO! [3]................................................ 6
Tabela 2: Karakteristike EMV ............................................................................................. 19
7.3 Seznam grafov
Graf 1: Povprečna poraba vode v gospodinjstvu ................................................................... 1
Graf 2: Karakteristika črpalke ............................................................................................. 15
7.4 Program ter elektro načrt vezja
Program krmilnika v blokovni shemi:
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 26
Seznam blokov ter parametri:
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 27
Elektro načrt dovoda v Eplan-u:
Elektro načrt krmilja črpalke za pitno vodo v Eplan-u:
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 28
Elektro načrt krmilja črpalke za deţevnico v Eplan-u:
Elektro načrt krmilnika Siemens LOGO! v Eplan-u:
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 29
Elektro načrt EMV v Eplan-u:
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 30
7.5 Naslov študenta
Tadej Marčič
Razbor 20
3222 Dramlje
Tel.:031-868-050
e-mail: tadej.marcic@hotmail.com
7.6 Kratek ţivljenjepis
Rodil sem se 1. 11. 1988 v Celju. Osnovno šolo sem obiskoval v Dramljah, srednjo pa v
Celju na Poklicni in strokovni šoli za elektrotehniko in kemijo. Po uspešno končani srednji
šoli sem se leta 2007 vpisal na Fakulteto za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v
Mariboru. V drugem letniku študija sem se usmeril na študij avtomatike in robotike.
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 31
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 32
Avtomatizacija uporabe deţevnice kot sanitarno vodo Stran 33
Recommended