WMS Wärmengenmessung System Technische Beschreibung

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1 WMS Wärmengenmessung System Technische Beschreibung

2 Änderungsnachweis Dokument: Referenz: Version Seiten: Technische Beschreibung WMS 1.0 Version Datum Bearbeiter Änderung td freigegeben Seite 2 von 23

3 Inhalt 1 ANWENDUNGSGEBIET FUNKTION WMS/TM TEMPERATURMESSUNGSKARTE KALIBRIEREN WMS/PK PROZESSORKARTE ANALOGE EINGÄNGE BERECHNUNG ANALOGE AUSGÄNGE DIGITALE AUSGÄNGE STÖRUNG KALIBRIEREN WMSCLIENT TECHNISCHE VORAUSSETZUNGEN AUFTEILUNG DER BILDSCHIRMMASKE VERBINDEN MESSUNG KONFIGURATION BEREICHE OPTIONEN KONFIGURATIONSWERTE LADEN BZW. SPEICHERN KALIBRIEREN EINGÄNGE KALIBRIERWERTE LADEN BZW. SPEICHERN AUSGÄNGE WARTUNG MESSWERTE AUFZEICHNEN ELEKTRISCHE SPEZIFIKATION WMS/TM TEMPERATURMESSUNGSKARTE STECKERBELEGUNG ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN ÜBERSICHT WMS/PK PROZESSORKARTE STECKERBELEGUNG ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN SCHALTPLAN PROZESSORKARTE ÜBERSICHT PROZESSORKARTE ÜBERSICHT SIGNALANPASSUNGS-KARTE...23 Seite 3 von 23

4 Abbildungen Abbildung 1: Maske WMSClient...10 Abbildung 2: Dialog Verbinden...11 Abbildung 3: Dialog Konfiguration speichern...13 Abbildung 4: Maske Eingang kalibrieren...14 Abbildung 5: Maske Ausgang kalibrieren...15 Abbildung 6: Maske Wartung...16 Abbildung 7: Maske Daten Aufzeichnen...16 Abbildung 8: Übersicht WMS/TM...18 Abbildung 9: Schaltplan Prozessorkarte...21 Abbildung 10: Übersicht Prozessorkarte...22 Abbildung 11: Übersicht Signalanpassungs-Karte...23 Seite 4 von 23

5 1 Anwendungsgebiet Das WMS-System dient zur Ermittlung der abgegebenen Wärmemengen bei Heizung- bzw. Klimaanlagen. Das System ist modular aufgebaut und besteht aus folgenden Einschubkarten für ein 19 Rack: WMS/TM Temperaturmessungskarte o PT100, 3 Leitertechnik Eingang o Karte liefert Temperatur als 4-20 ma galvanisch getrenntes Stromsignal WMS/PK Prozessorkarte o 8 analogen Ein- und Ausgänge o Karte liefert Leistung, Differenz aus Vorlauf- / Rücklauf als 4-20mA galvanisch getrenntes Stromsignal o Berechnung Leistung und abgegebene Wärmemenge o p-,t- ϱ Korrektur nach IAPWS IF-97 WMS/TV Trennverstärker o Anbindung weiterer Komponenten über 4-20 ma galvanisch getrenntes Stromsignal Das System ist kompatibel zu den abgekündigten Hartmann und Braun Karten (TEU315, TEU325, TZA305, TZIF3, TET106, TET128) Die Konfiguration der Prozessorkarte ist über die PC Software WMSClient einstell. Seite 5 von 23

6 2 Funktion Eine Grundeinheit besteht aus zwei WMS/TM Temperaturmessungskarten und einer WMS/PK Prozessorkarte. Aus der Differenz, aus der Vor- und Rücklauftemperatur, und dem Durchfluss, der als Strom- bzw. Spannungssignal zugeführt wird, berechnet das System die Leistung und die abgegebene Wärmemenge. 2.1 WMS/TM Temperaturmessungskarte Es gibt Karten für folgende Temperaturbereiche: WMS/TM25 0 C bis 25 C WMS/TM100 0 C bis 100 C Der PT100 Sensor wird über 3 Leitertechnik angeschlossen. Kern der Temperaturmessung bildet der integrierte Baustein XTR105 von Burr-Brown (Texas Instruments), dieser dient als Konstantstromquelle und Messumformer. Die Temperatur wird als 1-5 V Spannungssignal der WMS/PK zugeführt. Weiter können externe Komponenten über ein galvanisch getrenntes 4-20mA Stromsignal angebunden werden. Ein offener Sensoreingang führt zu einem Ausgangssignal <3 ma. Die elektrischen Eigenschaften bzw. die Zuordnung der Eingangskanäle zur Belegung der Steckerleiste sind Kapitel bzw zu entnehmen. Die Karte ist in ihrer Funktion kompatibel zu den Hartmann & Braun Karten TEU315 und TEU Kalibrieren Zunächst ist Temperaturmessung Schaltung zu kalibrieren. Hier kann über zwei Potis der Nullpunkt und die Verstärkung abgeglichen werden. Basierend auf den Werten der Temperaturmessung sind anschließend der Nullpunkt und die Verstärkung des 4-20 ma Ausganges abzugleichen. Die Lage der Potis auf der Karte sind Kapitel zu entnehmen. Seite 6 von 23

7 2.2 WMS/PK Prozessorkarte Die Prozessorkarte führt die Berechnung von der Leistung und der abgegebenen Wärmemenge durch. Dazu werden die analogen Eingangsgrößen in digitale Werte gewandelt. Die berechneten Größen werden als 4-20 ma Signal (Leistung) bzw. als Spannungsimpuls für ein Zählwerk (Wärmemenge) ausgegeben. Die Werte stehen in digitaler Form über die RS-232 Schnittstelle zur Verfügung. Die Visualisierung kann über den WMSClient (siehe Kapitel 3) erfolgen. Die Karte kann als Ersatz für die Hartmann & Braun Karten TZA305 und TZIF3 genutzt werden Analoge Eingänge Die 8 analogen Eingänge werden zeitlich gemultiplext einem 16-Bit Analog-Digital Wandler zugeführt. Die elektrischen Eigenschaften bzw. die Zuordnung der Eingangskanäle zur Belegung der Steckerleiste sind Kapitel bzw zu entnehmen. Der Wertebereich des jeweiligen Eingangskanals, z.b. 0 bis 100 C, ist über die PC- Software WMSClient konfigurierbar. Bei den Kalibrierdaten wird dem Anfang und dem Ende des Wertebereiches ein digitaler Wert zugeordnet. (Beispiel für 0 C liefert der AD-Wandler 12819). Damit ist eine Auswertung von offset-behafteten Signalen (wie z.b. 4-20mA Stromsignal) möglich. Liegt ein Eingangswert mehr als die erlaubte Abweichung (siehe Kapitel 3.3 Parameter Abweichung) außerhalb des definierten Wertebereiches erfolgt eine Störungsmeldung Berechnung Berechnung Massestrom Aus dem zugeführten Durchfluss als Volumenstrom wird der Massestrom berechnet. Dabei wird die Dichte ϱ gemäß IAPWS IF-97 unter Berücksichtigung von Druck und Temperatur ermittelt. Die Dichtewerte sind als Tabelle für die Bereiche von (1 bis 5 bar und 0 bis 100 C) hinterlegt. Berechnung Leistung Wärmemenge Q = c m T Massetrom m D = t Leistung Q P = = c D T t Seite 7 von 23

8 Q Wärmemenge c Spezifische Wärmekapazität J 4,182 g K m Masse T Temperaturdifferenz P Leistung D Massestrom t Zeit Berechnung Wärmemenge Die Wärmemenge wird aus der Leistung für ein Zeitintervall von 50 ms berechnet, ist die Wärmenge größer als das Zählerintervall wird der interne Zähler erhöht und es wird ein Zählerimpuls ausgegeben. Der interne Zähler wird momentan nicht persistent gespeichert. Bei einer Unterbrechung der Spannungsversorgung beginnt die Zählung wieder bei 0. Die Grundeinheit des Zähler ist konfigurierbar Analoge Ausgänge Die 8 analogen Ausgänge bestehen aus einer Sample & Hold Schaltung, die zeitlich gemultiplext von einem 16-Bit Digital-Analog Wandler aktualisiert wird. Die elektrischen Eigenschaften bzw. die Zuordnung der Eingangskanäle zur Belegung der Steckerleiste sind Kapitel bzw zu entnehmen. Die Karte besitzt 3 galvanisch getrennte 4-20 ma Ausgänge. Die anderen 5 Ausgänge liefern ein Spannungssignal von 0-10V und können ggf. mit einer Trennverstärker-Karte (WMS/TV) für die Ansteuerung externer Komponenten genutzt werden Digitale Ausgänge Die Prozessorkarte verfügt über 4 digitale Ausgänge, die jeweils ein Relais ansteuern. Die elektrischen Eigenschaften bzw. die Zuordnung der Eingangskanäle zur Belegung der Steckerleiste sind Kapitel bzw zu entnehmen. Ein Ausgang dient zur Ansteuerung des Wärmemengenzählwerks, ein weiterer Ausgang wird beim Auftreten einer Störung geschaltet. Seite 8 von 23

9 2.2.5 Störung Tritt eine Störung auf werden alle analogen Ausgänge auf 0 gesetzt. Eine Wärmemengenzählung findet nicht statt. Folgende Störungen werden unterschieden: Eingangssignale Es wird überprüft, ob alle Eingangssignale in den definierten Wertebereich liegen. Damit kann beispielsweise ein Ausfall eines Sensors erkannt werden. Um eine Falschmeldung zu verhindern kann über den Parameter Abweichung definiert werden, wie weit die Werte ggf. außerhalb des Bereiches liegen dürfen. Berechnung Liegt ein berechneter Wert außerhalb der vorgegebenen Wertebereiches erfolgt eine Störungsmeldung, da der Wert nicht mehr in ein definiertes Ausgangssignal überführt werden kann. Auch hier gilt der Abweichungsparameter Die Häufigkeit der Störungen wird in einem internen Zähler mitgezählt. Die Daten können über den WMSClient abgerufen werden. Um ein Toggeln des Störungssignals zu verhindern, wird ein Abweichungsbereich definiert. Dies bedeutet, überschreitet ein Wert die obere Bereichsgrenze, wird eine Störung ausgelöst. Diese wird erst wieder zurückgenommen, wenn der Wert die untere Bereichsgrenze unterschritten hat. Zusätzlich werden Reset-Vorgang und Watchdog-Timeouts gezählt Kalibrieren Folgende Signale sind vor der Inbetriebnahme der Karte zu kalibrieren: Signal Wert Einstellung Ref. Spg. AD-Wandler 5,1 Volt Siehe Übersicht Grundkarte (4.2.3) Verstärkung Analoger 10 V Siehe Übersicht Grundkarte (4.2.3) Ausgang 4-20 ma Ausgänge, jeweils für Kanal 1 bis 4 Nullpunkt 4 ma Siehe Übersicht Stekckkarte (4.2.5) Verstärkung 20 ma Seite 9 von 23

10 3 WMSClient Der WMSClient ist eine PC Software über die Messung-, Konfigurations- und Betriebsdaten der WMS/PK Karte ausgelesen werden kann. Die Kommunikation erfolgt über die serielle Schnittstelle Technische Voraussetzungen Der Rechner auf dem der WMSClient betrieben wird, muss über das.net Framework 2.0 verfügen. Der WMSClient verüfgt über kein separates Setup- Programm, da es ausreichend ist, die Dateien direkt in ein Verzeichnis zu kopieren. Dabei ist Schreibberechtigung für den jeweiligen Anwender nötig Aufteilung der Bildschirmmaske Die Maske teilt sich in zwei Bereiche. Im oberen Bereich ist ein Tab-Control über das Daten abgerufen bzw. eingegeben werden können. In der Historie ListView im unteren Bereich, werden vorgenommen Änderungen protokolliert. Abbildung 1: Maske WMSClient Seite 10 von 23

11 3.1 Verbinden Nach dem Start des Programms muss zunächst die Verbindung zu der Prozessorkarte aufgebaut werden. Dies erfolgt über folgenden Dialog, der über den Menüpunkt Programm -> Verbinden erreichbar ist. Element Combobox COM-Port Textfeld Timeout Abbildung 2: Dialog Verbinden Beschreibung In der Liste sind alle am PC verfügbaren Ports enthalten. Der zu letzt benutzte Port ist vor ausgewählt. Timeout in Millisekunden Checkbox Automatisch Verbinden Erhält der WMS-Client nach einer Anfrage innerhalb des angegebenen Zeitraumes keine Rückmeldung, wird die Anfrage abgebrochen. Ist diese Checkbox aktiviert, wird beim nächsten Programmstart die Verbindung über den angegebenen COM-Port automatisch erstellt. Ist die Karten-ID (siehe Kapitel 3.3) richtig konfiguriert, wird in der Statusleiste der Name der Station ausgegeben. 3.2 Messung In dem Reiter Messung werden die aktuellen Messwerte angezeigt. Weiter ist erkennbar, ob eine Störung vorliegt. Der Zählerstand ist nach einem Reset der Prozessorkarte null. Aus diesem Grund kann der angezeigte Zählerstand sich von dem am Zählwerk unterscheiden. Seite 11 von 23

12 3.3 Konfiguration Der Konfigurationsreiter ist in zwei weitere Reiter (Bereiche und Optionen) unterteilt. Wird eine Änderung eines Wertes vorgenommen, wird der Speichern Button aktiv und das jeweilige Feld farblich hinterlegt. Mit dem Speichern Button werden die Änderung an die WMS/PK Karte übertragen und dort persistent in einem EEPROM gespeichert. Die Änderungen bzw. mögliche Fehler werden in der Historie Listview angezeigt Bereiche In diesem Teil werden die Bereichsgrenzen für die einzelnen Messungen angegeben. Parameter Bedeutung Vorlauf Temperaturbereich abgestimmt auf WMS/TM Karte, entweder 0-25 C bzw C Rücklauf Temperaturbereich abgestimmt auf WMS/TM Karte, entweder 0-25 C bzw C Durchfluss Abgestimmt mit Durchflusssensor Leistung Leistungsbereich für 4-20 ma Ausgangssignal Temperatur Differenz Bereich Temperaturdifferenz für 4-20 ma Ausgangs- Signal Zählereinheit Einheit für den Wärmemengenzähler in kwh Optionen Parameter Berechnung Durchflussmessung in Betriebsdruck Abweichung Bedeutung Angabe, ob Wärme bzw. Kältemenge gemessen wird, abhängig davon erfolgt die Bildung der Temperaturdifferenz: Kälte Rücklauf Vorlauf Wärme Vorlauf - Rücklauf Erfolgt Durchflussmessung im Vorlauf oder Rücklauf, wird bei der p-,t- ϱ Korrektur berücksichtigt wird bei der p-,t- ϱ Korrektur berücksichtigt Relative Abweichung bezogen auf den Endwert des jeweiligen Wertebereiches. Angabe von oberer und unterer Bereichsgrenze Karten-ID Wird eine Karten-ID gesetzt, kann der WMSClient erkennen um welche Station es sich handelt und zeigt diese an. Die Karten ID 0 bedeutet, dass der Karte noch keine Stationsbezeichnung zugeordnet ist. Seite 12 von 23

13 3.3.3 Konfigurationswerte laden bzw. speichern Die Konfigurationswerte können gespeichert bzw. zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgerufen werden. Dies kann zum Beispiel beim Tausch einer Karte sinnvoll sein. Die Funktion ist über den Menüpunkt Daten -> Konfiguration->Laden bzw. Speichern erreichbar. Die Funktion ist nur aktiv, wenn der Reiter Konfiguration angewählt ist. Nach dem Laden einer Konfiguration, werden die Werte in der Maske angezeigt und können ggf. mit dem Speichern Button übernommen werden. Wird eine Konfiguration unter einem vorhanden Namen abgespeichert, wird die bestehende Konfiguration überschrieben. Abbildung 3: Dialog Konfiguration speichern... Seite 13 von 23

14 3.4 Kalibrieren Wird die Checkbox Kalibriermodus angewählt, findet keine reguläre Messung statt. Nun können die Ein- und Ausgänge kalibriert werden. Die WMS/PK Karte meldet eine Störung. Der Kalibrier-Reiter teilt sich in folgende 2 Bereiche Eingänge Im oberen Teil der Maske wird den Bereichsgrenzen der Eingangssignale, die entsprechenden digitalen Werte des AD-Wandlers zugeordnet. Wichtig ist, dass vor dieser Zuordnung die Eingangskarten (z.b. WMS/TM siehe Kapitel 2.1.1) kalibriert sind. Abbildung 4: Maske Eingang kalibrieren Zum Kalibrieren wird zunächst die Referenz für die untere Bereichsgrenze angelegt, z.b. bei einem Temperatureingang in Form eines 100Ω Referenzwiderstand am Eingang der WMS/TM Karte. Anschließend kann mit dem < Button der aktuelle Wert des AD-Wandlers als Einstellung für den Nullpunkt übernommen werden. Nach dem Anlegen einer Referenz für die obere Messbereichsgrenze, kann der Wandlerwert für den Maximalwert übernommen werden. Die vorgenommenen Änderungen werden mit dem Speichern Button auf die WMS/PK Karte übernommen und dort persistent im EEPROM gespeichert Kalibrierwerte laden bzw. speichern Die Kalibrierwerte können wie die Konfigurationswerte abgespeichert werden und so zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden. Die Funktion steht über den Menüpunkt Daten->Kalibrierwerte->Laden bzw. Speichern zur Verfügung. Seite 14 von 23

15 3.4.3 Ausgänge Um die Ausgänge zu kalibrieren, können definierte Werte am Ausgang der Prozessorkarte angelegt werden. Abbildung 5: Maske Ausgang kalibrieren Seite 15 von 23

16 3.5 Wartung Im Wartungsreiter kann erkannt werden, ob Störungen aufgelaufen sind. Mit dem Button Zurücksetzen, können die Zähler wieder auf 0 gesetzt werden. Abbildung 6: Maske Wartung Reset Vorgänge, die durch einen Watchdog-Timeout ausgelöst wurden, werden nur bei Watchdog gezählt, nicht bei Reset. 3.6 Messwerte aufzeichnen Über den Menüpunkt Daten->Aufzeichnen ist es möglich die Messwerte in einer csv- Datei mitzuschreiben. (csv comma separated file Auswertbar über Excel) Im Aufzeichnen Dialog kann der Dateiname angegeben werden, so wie das Aufzeichnungsintervall in Sekunden. Der Aufzeichnungsvorgang wird durch Klicken des Start Buttons gestartet. Ein weiterer Klick auf den Button beendet den Vorgang. Abbildung 7: Maske Daten Aufzeichnen Seite 16 von 23

17 4 Elektrische Spezifikation 4.1 WMS/TM Temperaturmessungskarte Steckerbelegung Stift Beschreibung 4a Sensor 3 4c Sensor 1 8a Sensor 2 14a Galvanisch getrennter Stromausgang 4-20 ma (COM) 14c Galvanisch getrennter Stromausgang 4-20 ma (Plus) 16c Spannungsausgang (1 5V) 18c Masse (intern) 28c, 30a Energieversorgung 24 V AC Elektrische Eigenschaften Eingang Genauigkeit Temperaturdrift Ausgang Spannung Strom Isolationswiderstand für Stromausgang Energieversorgung Spannung 0,1% vom Endwert, mindestens 0,1 C 4 µv/ C 1-5 Volt 4 20 ma Ω 24 Volt, AC Seite 17 von 23

18 4.1.3 Übersicht Abbildung 8: Übersicht WMS/TM Seite 18 von 23

19 4.2 WMS/PK Prozessorkarte Steckerbelegung Stift 2c 2a 4a 4c 6a Beschreibung Masse (intern ohne Trennverstärker) Masse (Feld) Analoger Ausgang 1 Differenz, galvanisch getrennt als 4-20 ma Strom bzw. 0-10V Spannungssignal Analoger Ausgang 2 Leistung, galvanisch getrennt als 4-20 ma Strom bzw. 0-10V Spannungssignal Analoger Ausgang 3 Durchfluss, galvanisch getrennt als 4-20 ma Strom bzw. 0-10V Spannungssignal 6c Analoger Ausgang 4 intern 0-10V 8a Analoger Ausgang 5 intern 0-10V 8c Analoger Ausgang 6 intern 0-10V 10a Analoger Ausgang 7 intern 0-10V 10c Analoger Ausgang 8 intern 0-10V 12a 12c 14a 14c 16a 16c 18a 18c 20a,20c 22a 22c 24a 24c 26c 26a 28a 28c 30a 30c 32a 32c Analoger Eingang 1 intern Spannung 0-5 V Analoger Eingang 2 intern Spannung 0-5 V Analoger Eingang 3 intern Strom 4-20 ma Analoger Eingang 4 intern Strom 4-20 ma Analoger Eingang 5 intern Spannung 0-5 V Analoger Eingang 6 intern Spannung 0-5 V Analoger Eingang 7intern Strom 4-20 ma Analoger Eingang 8 intern Strom 4-20 ma Masse intern 24 V DC Masse (Feld) 24 V DC Plus (Feld) Digitaler Ausgang Relais K4 ZÄHLER Digitaler Ausgang Relais K4 Energieversorgung 24V AC Digitaler Ausgang Relais K3 ERROR Digitaler Ausgang Relais K2 Digitaler Ausgang Relais K3 Digitaler Ausgang Relais K1 Digitaler Ausgang Relais K2 Energieversorgung 24V AC Digitaler Ausgang Relais K1 Seite 19 von 23

20 4.2.2 Elektrische Eigenschaften Analoge Eingänge Anzahl Kanäle 8 Genauigkeit 0,01% vom Endwert Auflösung 16 Bit Eingangsspannung bzw. Strom 0-5 Volt bzw ma Kommunikation Baud Rate Energieversorgung Spannung 24 Volt, AC Analoge Ausgänge Anzahl Kanäle 8 Isolationswiderstand (Kanal 1 bis 3) Ω Ausgangsspannung bzw. Strom 0-10 Volt bzw. 4-20mA Digitale Ausgänge Anzahl 4 Maximale Schaltleistung 96 Watt (Relais 4A bei 24 Volt) Berechnung Prozessortakt 14,7456 MHz Berechnungsgenauigkeit 32 Bit Seite 20 von 23

21 4.2.3 Schaltplan Prozessorkarte Abbildung 9: Schaltplan Prozessorkarte Seite 21 von 23

22 4.2.4 Übersicht Prozessorkarte Abbildung 10: Übersicht Prozessorkarte Seite 22 von 23

23 4.2.5 Übersicht Signalanpassungs-Karte Abbildung 11: Übersicht Signalanpassungs-Karte Seite 23 von 23