Енергозберігаюча комп'ютерно-інтегрована система керування індивідуальним тепловим пунктом

Нестеренко, Дмитро Володимирович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/10294

Title:	Енергозберігаюча комп'ютерно-інтегрована система керування індивідуальним тепловим пунктом
Authors:	Гальченко, Володимир Якович Нестеренко, Дмитро Володимирович
Keywords:	Індивідуальний тепловий пункт;Комп'ютерно-інтегрована система;Двоходові регулюючі клапани;ПІД-регулятор
Issue Date:	8-Jun-2026
Abstract:	Основна ідея кваліфікаційної роботи полягає у докорінному перегляді класичної архітектури автоматизації індивідуальних теплових пунктів (ІТП) та перетворенні їх на інтелектуальні об'єкти енергоменеджменту. Замість використання застарілих локальних релейних схем або закритих "чорних скриньок" спеціалізованих регуляторів, запропоновано створення відкритої комп'ютерно-інтегрованої системи на базі універсального промислового логічного контролера. Підхід до реалізації базується на трирівневій розподіленій архітектурі (польовий, контролерний та диспетчерський рівні), яка об'єднує датчики, інтелектуальні приводи клапанів, частотно-регульовані приводи (ЧРП) насосів, ПЛК та віддалену SCADA-систему через стандартизовані промислові мережі Modbus RTU та PROFINET/Ethernet. Фундаментом системи є математична модель еквітермічного регулювання. Контролер безперервно зчитує температуру зовнішнього повітря та розраховує цільову уставку теплоносія, а також застосовує алгоритм часового зниження енергоспоживання у неробочі години (режим "Еко"). Для уникнення "перетопів" та автоколивань застосовано комбіновану стратегію: еквітермічна крива компенсує зовнішні збурення, а позиційний ПІД-регулятор із захистом від інтегрального насичення (Anti-Windup) плавно керує двоходовими клапанами. Технологічні та схематичні рішення включають повний цикл проектування електричних кіл: від силового електроживлення з гальванічною розв'язкою до організації каналів вимірювання за схемою "струмової петлі" 4...20 мА. Додатково розроблено логіко-математичну модель апаратного захисту, яка з використанням таймерів та булевої алгебри запобігає руйнівному "сухому ходу" циркуляційних насосів у разі втрати тиску. У рамках спеціальної частини роботи спроєктовано унікальний інтерфейсний модуль оптичної ізоляції та нормувальних перетворювачів. Його розроблено в САПР Altium Designer з урахуванням правил електромагнітної сумісності (ЕМС) та використанням комбінованих технологій поверхневого (SMD) і вивідного (THT) монтажу, що надійно захищає контролер від індустріальних перешкод. У конструктивному та технологічному планах розробка суттєво відрізняється від найближчих комерційних аналогів (наприклад, Danfoss ECL або Siemens DESIGO). На відміну від жорстко спеціалізованих регуляторів, спроєктована система не створює прив'язки до одного вендора (Vendor Lock-in) та дозволяє інженерам вільно модифікувати математичні моделі й алгоритми відповідно до специфіки конкретної будівлі. Вона забезпечує високу ефективність предиктивних алгоритмів, але вимагає значно менших обчислювальних ресурсів. В економічному та соціо-екологічному планах проєкт пропонує швидке повернення інвестицій за рахунок економії тепла (до 25%) та електроенергії (до 30%). Зменшення споживання ресурсів робить прямий внесок у декарбонізацію економіки та зниження викидів парникових газів. Соціальний ефект проявляється у підтримці стабільного, комфортного мікроклімату для працівників і підвищенні безпеки інженерної інфраструктури від аварій та затоплень.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/10294
Appears in Collections:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Робототехнічні системи та автоматизація)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Нестеренко.pdf Restricted Access	КРБ Нестеренко Д.В. 2026	6.02 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

YEPKACLKMŇ IEPKABHHM TEXHOJIOTIHHMY HIBEPCHTET
AKYJIbTET EJIEKTPOHHHX TEXHOJIOrIM, ABTOTPAHCIIOPTY TA
MAIIIHHOBYIYBAHHA
KAOEAPA IIPHJIAIOBYIYBAHHA, MEXATPOHIKH TA
KOMII'IOTEPH3OBAHMX TEXHOJIOTIÄ
IonyueHO 10 3axHCTY
B.o.3ainyBaya kaþenpu IIMKT
MakcHM BOHJAPEHKO
2026 p.
IIOACHIOBAJIBHA3 AIIHCKA
10 KBAJIOIKALIMHOỈP OBOTH BAKAJIABPA
Ha TeMy «EHeprosőepiraxoua KOMII'1OTepo-İHTerpOBaHa cHCTeMa KepyBaHH3
İHIMBİJyaTbHHM TeniJTOBHM IIYHKTOM»
BuKoHaB 3no6yBay oCBiTH 4 Kypcy, rpyu PCACK-23
cneuiatbHÍCTb: 174 «ABTOMaTH3ais, KOMIT'OTePHO
iHTerpoBaHiT eXHOJIOriï ra poõorOTeXHİKa»
OCBITHA īporpaMa: Po6oTOTeXHİYHİ CHCTeMH Ta
aBTOMaTH3auja
HecrepeHKO IMHTpO BonoAHMMpoBHg
KepiBHHK BonoNHMHp TAJIBYEHKO
PeeH3eHT Cepriž B4CIOVX
KBanihikauišHa po60Ta őakanaBpa MicTHTb pe3yBTaTH BJIacHHX 3106yTKİB aBTopa.
BuKopHcTaHHA ieň, pesyNBTaTİB i TeKcTİB iHIHX aBTOpiB MaroTb nOCHIIaHHA Ha
BiINOBİNHe IKepeno.
ninnnc 32o6yBaua
Hepkacu - 2026
YEPKACbKHň JEPKABHHÄ TEXHOJIOrIHHMMV HIBEPCHTET
( noDNC aiMCIIyDaug DMULoro apyauILHOrO 3aKMany )
PakynbTeT CICKTPOHHHX TeXHOJIOrİÄ, aBTOTPaHcnopTY Ta MaulHHO6yIVBaHUg
Kaheapa npuaano6YAVBaHHA, MexaTpOHİKH Ta KOMII'1OTepHIO BAHHX TexHONOriŭ
OcBiTHBO-KBanioikauižHuÄp iBeHL 6akanaBp
CneujanbHİCTH 174 «ABTOMATH3anİA, KOMn'1OTepHO-iHTerpoBaHi TexuonOriï Ta po6oToTexIiikaw
OCBİTHA IporpaMa «Poố0TOTeXHİYHİ CHCTeMH Ta aBTOMaTH3a uia»
3ATBEPIKYIO
B.o. 3aBiIYHaqa Kağenpu IMKT
MakcHM BOHAapeHKO
2026 poKy
3 A B IA H H A
HAK BAJIIOIKALÄHY POBOTY BAKAJIABPA
HecTepeHKa IMHTpa BonoIHMHPOBHYa
(npisDHuIe, iM's, no 6aTbKOBi)
1. Tema poóoTH EHepro3óepirakoya KOMII HOTepHO-ÍHTerpOBAHa cHCTeMa KepyBaHHS
İHAHBİJYanbHHM TeniOBHM IYHKTOM
KepiBHHK poboTH npodecop KadexpH npHnano6yıyBaHHA, MexaTpOHİKH Ta
KOMI'KOTepu30 BaHX TeXHOIoriž, K.T.H., npoecop Tanb4eHKO BoIoAHMHp AKOBHY
(n pisBHue, İM'a, no 6aTbKOBİ, HayKoBIi cTyniHb, ByCHe 30aHHa)
3aTBepIKeHİ HaKa3OM BHI|Oro HaB4aJIbHOro 3aKJīany BII "13" KBİTHA 2026 poky No 94/03-03
2. CTpoK nonaHHA 3noőyBaYeM poőoTH 5 yepBHA 2026 p.
3. BuxiIHİJ aHi A0 poőoTH.
IjanasoH BHMipKOBAHHA TeMepaTypu 30BHÍWHbOro OBİTPA, °C: BiJ –-50 n0 +50:
nianasoH BHMİpIOBaHHA TeMneparypu TeniOHOCİA, °C: Bi] 0 n0 +150; nianaz0H
BHMipIOBaHHA THCKy B KOHTypax, 6ap: Bin 0 10 16; MakcHMaIBHa TeMneparypa
TerJIOHOcia B nONaroHOMy TpyőoipoBOA1, °C: He 6ilbue 85; pozpaxyHKOBa MiHİMaJJbHa
TeMNepaTypa 30BHiIHBOro noBiTpA, °C: -22; 6asOBa TeMnepatypa B npHMİueHHİ, °C:
20; o4iKyBaHe 3HHKeHHA CHOKHBaHHA TennOBOÏ eHeprii, Yo: He MeHIIe 15-25; oyiKy BaHe
3HHKEHHA cnOKHBAHHA eneKTpH4HOÏ CHepriï HacocaMH, %: He MeHue 30; uac uHKIy
BHKOHaHHA IporpaMu IJIK, MC: He 6iIble 5; npoTOKOJI 3B'A3Ky JIK 3 PII: Modbus
RTU (RS-485); nporoKon iHTerpauiï y SCADA/BMS: Modbus TCP / PROFINET:
KHBJIEHHA: MepeKa 3MİHHOro cTpyMy 380/220 B, 50 Tu; nocTiÄHHÝ cTpyM -24 B DC:
noTyKHİCTB Wadpu KepyBaHHA, BA: He õinblle 500.
4. 3MicT pospaxyHKOBO-I101CHIOBAJIbHOï 3anHCKH (nepenik nHTaHb, AKİn OTpioHo
pospoőuTH
1 0őrpyHTY BaHHA Heo6xiNHOCTİ NpoeKTYBaHHA Ha oCHOBİ aHanisy icHy o4HX
OốrpyHTY aHanoriB. 2
BaHHA TeXHIYHOro 3aB1aHHA. 3 Po3poőka cTpyKTYpHOÏ
CHCTeMH. Ta
4 Po3paxyHOK ipHHUHNOBOÏ
OCHOBHHX CXeMH
By3J1İB CXeMH. 5 CneuianbHa yacTHHa.
5. IlepetiK rpapivHoro MarepiaIy (3 TO4HHM 3a3Ha4eHHAM po30B0'OaB3'KAH3 KOBHX
KpecneHb)
EHeprozõepiraroua KOMI'HoTepHO-İHTerpoBaHa cHCTeMa KepyBaHHA
TenIOBHM nyHKTOM. CxeMa İHAMBİnyanbHHM
eneKTPHYHa CTpyKTypHa (Al). CxeMa eeKTPHHa
npHHLHnOBa CHCTeMH aBTOMaTH3auii (Al). CxeMa
niņKIKOYeHHA MİKPOKOHTPOJ1epa (A1). 1lemOHCTpauižHHĂ MareepnieaKnT (pHAY lH+aA l).n pHHLHlOBa
2
6. KoHcyNbTaHTH P03ninİB KBanihikauišHoi poboTH
Ilpi3BuIe, iniųiaIH Ta nocana [lianuc, naTa
Po3nin 3aB1aHHA
KOHCYIbTalrTa 3aB1aHHA
BHIaB IipuÄnAB
Oxoponnu paui Koxem'aKİH O.C., crapuHň BHKNAņay
Kapeapu 3BKEXJ
EroHOMiynuii TanbueHKo B.A., npoecop kaeapa
poznin, IIMKT, K.T.H., npoecop
TexHONOrivuni
posnin
HopMonisauiñuni THYKOB B.B., noueHT Kahenpu IIMKTA
KOHTP0J1b K.T.H., 10ueHT
7. laTa BHIaYİ3 aBIaHHA
KAJIEHIAPHMĂ IIJIAH
Ne HasBa eTaniB KBanihikauiĂHoỈ CpoK BHKOHAHHA IlpuMiTKa
3/n po6oTH eraniB poboTH
1 O6rpyHTYBaHHA Heo6xiNHOCTİ IpocKTYBaHHA Ha oCHOBİ 02.2026 BHK
KpHTHYHOTO aHaii3y icHyIoYHX aHaNoriB
2 06rpyHTYBaHHA TeXHİYHOrO 3aBInaHHA 02.2026 BHK
3 Pospoőka cTpyKTypHoi CXeMH 02.2026 BHK
4 Pospo6Ka npHHuHnOBOÏ eneKTpHYHOỈ CxeMH 03.2026 BHK
Po3 paxyHOK eNEMeHTİB CXeMH 03-04.2026 BHK
OujHKa TOYHOCTi Ta HaņiğHOCTİ 03-04.2026
6
7 TexHoJIori4HHĂ po3ņin 03-04.2026 BHK
Po3xin oxopOHH npauı 03-04.2026 BHK
EKOHOMiYHHĂp 031iI 03-04.2026 BHK
9
10 OopMneHHA KpecneHE 03-04.2026 BHK
11 OpopMNeHHA 1onaTKİB 05.2026 BHK
12 OpopMnEHHA CYnpoBiņHoi jOKyMeHTauii 05.2026 BHK
3no6yBay BHLĻoÏ oCBiTH AMHTpO HECTEPEHKO
( niannc )
KepisHHK poborH BoJIoJuMHP TAJIb4EHKO
mc )
Зміст

Стор.
Технічне завдання…………………………………………..…………. 2
Вступ 5
1 Обґрунтування необхідності проєктування на основі аналізу
існуючих аналогів 7
1.1 Огляд існуючих рішень у мережі Інтернет 7
1.2 Огляд літературних джерел та аналіз сучасних науково- 8
технічних підходів 13
1.3 Патентний пошук та аналіз науково-технічних інновацій у сфері
автоматизації теплових пунктів 19
2 Обґрунтування технічного завдання 25
3 Розробка структурної та принципової схеми системи 27
3.1 Розробка структурної схеми 27
3.2 Розробка схеми електричної принципової системи автоматизації 32
4 Розрахунок основних вузлів схеми 37
4.1 Математичне моделювання та розробка алгоритму
еквітермічного керування контуром опалення 37
4.2 Розробка архітектури прикладного програмного забезпечення
ПЛК та алгоритмів нормалізації даних 43
4.3 Проектування людино-машинного інтерфейсу (HMI) та
інтеграція у SCADA-систему 47
4.4 Програмна реалізація алгоритмів у середовищі розробки ПЛК 52
5 Спеціальна частина 56
5.1 Технологічні особливості виготовлення та складання
інтерфейсного модуля гальванічної розв'язки 56

РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата
Розробив Нестеренко Д.В. Літ. Арк. Аркушів
Перевірив Гальченко В.Я. Енергозберігаюча комп'ютерно- 3
інтегрована система керування
Т. Контр. Тичков В.В. індивідуальним тепловим пунктом
Пояснювальна записка ЧДТУ
Ств.

5.2 Соціально-економічні та етико-екологічні аспекти прийняття
технічних рішень 58
5.3 Охорона праці 60
Висновки 70
Список використовуваної літератури 72
Додаток А Відомість технічного проєкту
Додаток Б Результати розрахунку на ЕОМ
Додаток В Презентація доповіді
Додаток Г Тези доповіді студентської науково-практичної
конференції «ДНІ СТУДЕНТСЬКОЇ НАУКИ – 2026»…….

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 4

Вступ

В умовах глобальної трансформації енергетичного сектору, спрямованої на
глибоку декарбонізацію економіки, мінімізацію викидів парникових газів та
підвищення загальної енергонезалежності, парадигма управління промисловими та
цивільними інженерними мережами зазнає фундаментальних змін. Імплементація
передових європейських директив, зокрема Директиви про енергетичну
ефективність будівель (Energy Performance of Buildings Directive – EPBD) та
європейського стандарту EN 15232, вимагає безальтернативного переходу від
екстенсивних методів споживання паливно-енергетичних ресурсів до інтенсивних,
високотехнологічних стратегій енергоменеджменту. Для України, яка інтегрується
у європейський енергетичний та технологічний простір, питання раціонального
використання теплової та електричної енергії набуває не просто економічної, а
стратегічної ваги. Житлово-комунальний сектор та інфраструктура
адміністративних будівель традиційно залишаються одними з найбільших
споживачів теплової енергії. Значна частина цих ресурсів втрачається на етапі
розподілу та споживання через використання морально і фізично застарілого
обладнання, а також через критичну нестачу сучасних засобів автоматичного,
адаптивного регулювання. Традиційні індивідуальні теплові пункти (ІТП), які
проектувалися та вводилися в експлуатацію в епоху низької вартості енергоносіїв,
функціонують переважно у статичних, жорстко заданих режимах. Вони не здатні
забезпечити динамічну, безперервну відповідність між кількістю спожитої з
магістралі теплової енергії та фактичними тепловтратами будівлі, які постійно
змінюються під впливом метеорологічних факторів та внутрішніх тепловиділень.
Ця технологічна невідповідність неминуче призводить до виникнення так званих
«перетопів» у перехідні періоди року (восени та навесні), значного погіршення
санітарно-гігієнічних параметрів мікроклімату в робочих приміщеннях, а також до
надмірного та абсолютно неефективного споживання електроенергії потужними
циркуляційними насосами, що працюють з постійною частотою обертання
незалежно від реального гідравлічного навантаження.
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 5

Вирішення цієї комплексної проблеми лежить виключно у площині
проєктування та впровадження інноваційних, енергозберігаючих комп'ютерно-
інтегрованих систем керування (КІСУ). Сучасна інженерна наука розглядає
індивідуальний тепловий пункт вже не як простий гідравлічний вузол змішування
теплоносія, а як складну кіберфізичну систему (Cyber-Physical System), здатну до
самодіагностики, адаптації та предиктивного управління. Створення такої системи
вимагає докорінного перегляду архітектури автоматизації: відмови від локальних
релейних схем та аналогових регуляторів на користь відкритої, багаторівневої
топології на базі високопродуктивних промислових логічних контролерів (ПЛК).
Сучасні ПЛК є обчислювальними ядрами, які здатні не лише збирати «сирі» дані з
польового рівня з високою частотою дискретизації, але й виконувати складні
математичні розрахунки з плаваючою комою, реалізувати нелінійні закони
керування та безшовно інтегруватися в глобальні інформаційні мережі
диспетчеризації будівель (Building Management Systems – BMS) за допомогою
стандартизованих промислових протоколів, таких як PROFINET або Modbus TCP.
Саме застосування концепції комп'ютерно-інтегрованого управління дозволяє
перетворити пасивний тепловий пункт на інтелектуальний об'єкт безперервного
енергоменеджменту, де кожна гігакалорія тепла та кожен кіловат-година
електроенергії обліковуються та оптимізуються.

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 6

1 Обґрунтування необхідності проектування на основі аналізу
існуючих аналогів

1.1 Огляд існуючих рішень у мережі Інтернет

Глобальна цифровізація інженерних мереж та перехід до концепції
«Розумна будівля» (Smart Building) зумовили появу на ринку великої кількості
готових комерційних рішень (Commercial Off-The-Shelf – COTS) для автоматизації
індивідуальних теплових пунктів. Сучасний ринок пропонує як жорстко
спеціалізовані контролери, так і комплексні системи управління будівлями
(Building Management Systems – BMS). Аналіз інформації, представленої на
офіційних ресурсах провідних європейських виробників, дозволяє виділити кілька
домінуючих підходів до проектування таких систем.
Основна боротьба на ринку розгортається між виробниками
спеціалізованого тепломеханічного обладнання (які інтегрують автоматику у свої
вироби) та гігантами ринку промислової автоматизації, що пропонують
універсальні вільно програмовані платформи.
Аналіз спеціалізованих контролерів лінійки Danfoss ECL Comfort
Компанія Danfoss є одним із найвідоміших світових лідерів у галузі теплової
автоматики. Флагманським рішенням компанії для автоматизації ІТП є серія
електронних контролерів ECL Comfort (зокрема моделі 210 та 310). Ці пристрої
позиціонуються як інтелектуальні регулятори температури з функцією погодної
компенсації.
Апаратна та програмна архітектура:
Контролери ECL Comfort побудовані за принципом апаратно-програмних
«ключів» (ECA). Базовий модуль контролера не має попередньо завантаженої
логіки для конкретної гідравлічної схеми. Для налаштування системи інженер
повинен придбати та вставити відповідний електронний ключ (наприклад, ключ
A266 для керування незалежним контуром опалення та контуром гарячого
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 7

водопостачання). Цей підхід значно спрощує пусконалагоджувальні роботи: після
встановлення ключа на дисплеї контролера з'являється відповідна мнемосхема, і
користувачеві залишається лише ввести базові уставки (бажану температуру та
графік роботи).
Апаратно контролери ECL 310 підтримують збір даних з датчиків
температури Pt1000, керування електромоторними приводами трипозиційного
типу (AMV/AME) та інтеграцію теплолічильників за протоколом M-Bus.

Рисунок 1.1 – Типова архітектура автоматизації на базі Danfoss ECL 310

Критичний аналіз недоліків рішень Danfoss:
Незважаючи на високу надійність бренду, використання ECL Comfort у
сучасних комп'ютерно-інтегрованих системах має низку фундаментальних
обмежень. По-перше, система є типовою «чорною скринькою». Алгоритм ПІД-
регулювання, закладений у ключ, є інтелектуальною власністю компанії і не
підлягає модифікації. Інженер не може змінити математичну модель еквітермічної
кривої або додати специфічні умови блокування насосів, які не передбачені
виробником ключа.
По-друге, інтеграція в системи вищого рівня (BMS) є ускладненою.
Компанія орієнтує користувачів на власний хмарний сервіс ECL Portal, який
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 8

передбачає абонентську плату. Пряма інтеграція у сторонню SCADA-систему
через протокол Modbus TCP можлива, але карта регістрів є нестандартною та
складною для опитування, що вимагає придбання додаткових OPC-серверів від
розробника.
Платформи диспетчеризації на базі Siemens Climatix та DESIGO
Компанія Siemens пропонує багаторівневий підхід до автоматизації
будівель, розділяючи ринок на OEM-рішення (лінійка Climatix) та проектні
рішення для великих інфраструктурних об'єктів (система DESIGO).
Контролери лінійки Climatix (POL638) спочатку розроблялися для
виробників вентиляційних установок (AHU) та модульних ІТП. Вони
відрізняються високою стійкістю до температурних коливань (робота при
температурі від -40°C) та наявністю вбудованих універсальних входів/виходів
(I/O).
Система DESIGO, у свою чергу, є потужною BACnet-орієнтованою
екосистемою. BACnet (Building Automation and Control Networks) — це
спеціалізований протокол, розроблений ASHRAE для мереж автоматизації
будівель, який дозволяє обмінюватися складними структурами даних (графіками,
тривогами, трендами) безпосередньо на рівні контролерів.

Рисунок 1.2 – Архітектура BACnet-сумісної системи Siemens DESIGO

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 9

Критичний аналіз недоліків рішень Siemens:
Основною проблемою впровадження платформ класу DESIGO для окремих
індивідуальних теплових пунктів є їхня надлишковість та безпрецедентно висока
вартість життєвого циклу (TCO – Total Cost of Ownership).
Системи такого рівня вимагають від інтегратора наявності дорогих ліцензій
на спеціалізоване інженерне програмне забезпечення (наприклад, ABT Site або
CFC). Код керування часто створюється за допомогою графічних блоків, які
прив'язані до конкретних бібліотек Siemens. Це створює так званий «Vendor Lock-
in» — ситуацію, коли експлуатуюча організація адміністративної будівлі стає
повністю залежною від одного виробника та його офіційних партнерів для
виконання навіть незначних змін у програмі (наприклад, додавання додаткового
датчика тиску). Крім того, вартість ліцензування серверного програмного
забезпечення DESIGO CC для диспетчеризації одного-двох ІТП є економічно
нерентабельною для бюджетних та муніципальних установ.

Комплексні BMS-платформи: Schneider Electric SmartStruxure та
Honeywell CentraLine
Продовжуючи аналіз ринку, необхідно розглянути рішення від корпорацій
Schneider Electric та Honeywell, які орієнтуються на створення глобальних систем
диспетчеризації будівель, де ІТП розглядається лише як один із багатьох підлеглих
вузлів.
Компанія Schneider Electric пропонує архітектуру EcoStruxure Building
Operation (EBO). Серцем системи є сервери автоматизації (Automation Servers – AS-
P або AS-B), які поєднують функції програмованого контролера та локального веб-
сервера диспетчеризації. Вони мають вбудовану підтримку мультипротокольної
маршрутизації, одночасно опитуючи пристрої по шинах LonWorks, BACnet MS/TP
та Modbus RTU.
Бренд CentraLine від Honeywell використовує платформу Niagara Framework
(розробка Tridium). Унікальність платформи Niagara полягає в тому, що вона
базується на технології Java і дозволяє об'єднувати обладнання абсолютно різних
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 10

виробників в одну структуру за допомогою програмних драйверів. Контролери
JACE (Java Application Control Engine) функціонують як потужні інтеграційні
шлюзи, безпосередньо збираючи дані з модулів вводу/виводу ІТП.
Критичний аналіз недоліків комплексних платформ:
Незважаючи на потужні інтеграційні можливості, використання серверів
автоматизації (AS-P або JACE) безпосередньо для низькорівневого керування
контурами ІТП має серйозні технічні вади. Ці пристрої працюють під управлінням
операційних систем реального часу (RTOS, часто на базі Linux), і їхній час циклу
(Cycle Time) значно перевищує час циклу класичних промислових контролерів. У
разі виникнення перебоїв у роботі IT-інфраструктури або «зависання» операційної
системи інтеграційного контролера, обробка критичних сигналів (наприклад,
відпрацювання апаратної аварії «сухий хід» циркуляційного насоса) може
відбутися із затримкою, що є неприпустимим для тепломеханічного обладнання
високої потужності. Крім того, налаштування та програмування платформи Niagara
Framework вимагає від інженера знань об'єктно-орієнтованого програмування, що
виходить за межі компетенцій стандартного сервісного персоналу систем
теплопостачання.
Аналіз універсальних вільно програмованих промислових логічних
контролерів (ПЛК)
Альтернативним підходом до проектування автоматизації ІТП, який
набуває все більшої популярності в європейській інженерній практиці, є
використання універсальних промислових логічних контролерів (ПЛК). До цієї
категорії належить обладнання компаній Omron, WAGO, Beckhoff та Siemens
(лінійка SIMATIC S7).
На відміну від HVAC-спеціалізованих регуляторів, універсальні ПЛК
(наприклад, Omron CJ2M або Siemens S7-1200) не мають жодної вбудованої
технологічної логіки. Вони є чистими обчислювальними платформами, що
програмуються за міжнародним стандартом IEC 61131-3 (мови LAD, FBD, SCL,
ST).

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 11

Технічні переваги застосування ПЛК для ІТП:
1. Детермінованість: ПЛК працюють на базі спеціалізованих
мікропроцесорів, що забезпечують жорсткий час циклу виконання програми (Scan
Cycle Time на рівні 1–5 мілісекунд). Це гарантує миттєву реакцію на аварійні
сигнали (наприклад, різке падіння тиску в мережі).
2. Гнучкість математичних моделей: Розробник має повний доступ до
обчислювального ядра. Це дозволяє створювати складні, нелінійні еквітермічні
криві, реалізовувати адаптивні ПІД-закони з функціями Anti-Windup та
застосовувати розширені фільтри для аналогових сигналів 4-20 мА.
3. Універсальність інтеграції: Сучасні ПЛК за замовчуванням оснащені
портами Ethernet із підтримкою відкритих протоколів (Modbus TCP, OPC UA,
PROFINET). Це дозволяє організувати передачу даних на будь-яку SCADA-
систему (WinCC, Ignition, InduSoft) без придбання пропрієтарних шлюзів.
4. Модульність: Можливість точного підбору кількості модулів
вводу/виводу під конкретний ІТП без переплат за "зайві" канали.

Висновки до огляду існуючих рішень та обґрунтування напрямку
проектування
Проведений критичний аналіз існуючих на світовому ринку комерційних
рішень дозволяє зробити такі висновки:
• Використання спеціалізованих теплотехнічних контролерів типу
"чорна скринька" (Danfoss ECL) суттєво обмежує можливості енергозбереження
через неможливість глибокої адаптації математичної моделі під унікальну теплову
інерцію конкретної адміністративної будівлі.
• Застосування важких систем диспетчеризації будівель (Siemens
DESIGO, Schneider EcoStruxure) є економічно невиправданим для модернізації
індивідуального теплового пункту через високу вартість ліцензування та ризик
прив'язки до одного вендора.
На основі цього обґрунтовується необхідність проектування власної
комп'ютерно-інтегрованої системи керування на базі універсального вільно
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 12

програмованого промислового контролера. Такий підхід дозволяє поєднати
переваги жорсткого детермінованого керування на нижньому рівні (забезпечення
безпеки насосів та клапанів) із високорівневою відкритою архітектурою
диспетчеризації. Розробка власного програмного забезпечення, що включатиме
оригінальні алгоритми погодної компенсації та нічного зниження
енергоспоживання, дозволить досягти максимальних показників
енергоефективності при збереженні високої ремонтопридатності та незалежності
об'єкта автоматизації від пропрієтарних програмних продуктів закритих
корпорацій.

1.2 Огляд літературних джерел та аналіз сучасних науково-технічних
підходів

Проблема підвищення енергоефективності будівель та оптимізації роботи
індивідуальних теплових пунктів (ІТП) є предметом інтенсивних наукових
досліджень як у вітчизняній, так і в західній літературі. Аналіз наукових
публікацій, монографій та матеріалів міжнародних конференцій (IEEE, IFAC,
Elsevier) дозволяє виділити кілька ключових напрямків розвитку наукової думки у
сфері комп'ютерно-інтегрованих технологій для систем теплопостачання. Сучасні
дослідження охоплюють широкий спектр питань: від розробки фундаментальних
математичних моделей термодинаміки будівель до застосування алгоритмів
штучного інтелекту в промислових контролерах.
Нормативна база та європейські стандарти енергоефективності (EPBD,
EN 15232)
Фундаментом для більшості сучасних наукових розробок у сфері
автоматизації будівель є нормативна база Європейського Союзу, зокрема
Директива про енергетичну ефективність будівель (EPBD – Energy Performance of
Buildings Directive). У працях європейських дослідників детально аналізується
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 13

імплементація стандарту EN 15232 («Енергоефективність будівель. Вплив
автоматизації будівель, систем управління та технічного обслуговування»).
Згідно з дослідженнями, присвяченими аналізу EN 15232, системи
автоматизації та управління будівлями (BACS – Building Automation and Control
Systems) класифікуються на чотири класи енергоефективності: від класу D
(неефективні системи без автоматики) до класу A (високоенергоефективні системи
керування та технічного менеджменту). Науковці доводять, що перехід будівлі від
класу C (стандартне регулювання) до класу A за рахунок впровадження
інтелектуальних ПЛК, погодної компенсації та SCADA-систем здатний
забезпечити економію теплової енергії до 30% для адміністративних будівель.

Рисунок 1.3 – Вплив класів автоматизації BACS на енергоефективність
згідно з EN 15232

У вітчизняній літературі автори часто адаптують ці європейські вимоги до
реалій застарілого житлового фонду України, обґрунтовуючи економічну
доцільність впровадження погодного регулювання як першого (базового) етапу
енергомодернізації.
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 14

Аналіз методів математичного моделювання теплової динаміки
будівель
Значна частина академічної літератури присвячена проблемі адекватності
математичних моделей теплових процесів. Оскільки індивідуальний тепловий
пункт працює в комплексі з будівлею, якість керування залежить від точності
моделювання тепловтрат.
В сучасних публікаціях домінує підхід до моделювання будівлі на основі
електротеплової аналогії (RC-моделі). У таких моделях термічний опір стін та вікон
розглядається як електричний резистор ($R$), а теплоємність повітря та
будівельних конструкцій — як електричний конденсатор ($C$). Температури
(зовнішня, внутрішня, теплоносія) виступають аналогами електричних потенціалів
(напруг), а теплові потоки — аналогами сили струму. Дослідники (наприклад, праці
наукових шкіл КПІ) показують, що моделі першого та другого порядку (1R1C або
2R2C) є достатніми для синтезу систем керування в середовищі ПЛК, тоді як більш
складні моделі використовуються лише для глибокого наукового симулювання у
програмних комплексах типу TRNSYS або MATLAB/Simulink.

Рисунок 1.4 – Еквівалентна теплова RC-схема приміщення будівлі
(електротеплова аналогія)

Критика цих моделей у літературі зводиться до складності ідентифікації їх
параметрів ( R та C ) на реальному об'єкті. Більшість авторів погоджується, що для
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 15

інженерної практики доцільніше використовувати неперервну корекцію
(адаптацію) еквітермічної кривої на основі емпіричних даних, що збираються
контролером, замість спроб побудувати ідеальну теоретичну RC-модель.
Аналіз методів та алгоритмів керування в системах теплопостачання
Найбільший обсяг літературних джерел зі спеціальності 174 присвячений
синтезу та оптимізації алгоритмів автоматичного керування (ААК). Умовно їх
можна поділити на три великі групи: класичні ПІД-закони, методи предиктивного
керування (MPC) та методи на основі штучного інтелекту.
1. Класичне пропорційно-інтегрально-диференціальне (ПІД)
керування.
Попри стрімкий розвиток теорії керування, ПІД-регулятори залишаються
індустріальним стандартом (близько 95% всіх регуляторів у промисловості). У
літературі детально розглядаються проблеми їх налаштування (тюнінгу) для
об'єктів з великим транспортним запізненням (якими є трубопроводи тепломереж).
Дослідники наголошують на проблемі "інтегрального насичення" (Integral Windup)
при різких змінах уставки або виникненні великих збурень. Для вирішення цієї
проблеми пропонуються алгоритми дискретного ПІД-керування з обмеженням
суми інтегратора, що є обов'язковим для реалізації в сучасних ПЛК.
2. Керування на основі прогнозуючих моделей (MPC – Model Predictive
Control).
Передові західні дослідження (статті в базах IEEE Xplore, ScienceDirect)
масово пропонують застосування MPC для керування ІТП. Суть методу полягає у
використанні математичної моделі об'єкта для прогнозування його поведінки на
певному горизонті часу. Алгоритм MPC здатен заздалегідь "бачити", що
температура повітря на вулиці знизиться, і почати плавно відкривати клапан
опалення ще до того, як будівля встигне охолонути.
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 16

Рисунок 1.5 – Структурна схема комбінованої системи керування:
еквітермічне керування (Feed-forward) та ПІД-корекція (Feedback)

Критичний аналіз та виявлення протиріччя:
Аналіз літератури виявляє значний "розрив" між передовою наукою та
промисловою практикою. Методи MPC або нечіткої логіки показують чудові
результати в симуляторах, але їх реалізація вимагає величезних обчислювальних
ресурсів, якими не володіють стандартні контролери нижнього рівня (наприклад,
Omron CJ2M або Siemens S7-1200). Написання матричних рівнянь MPC мовами
стандарту IEC 61131-3 (наприклад, ST або SCL) є надзвичайно складним і часто
призводить до нестабільної роботи ядра ПЛК.
Отже, спираючись на аналіз літератури, обґрунтовується вибір комбінованої
стратегії керування (див. Рис. 1.5): використання еквітермічної кривої як
компенсатора збурень (Feed-forward control) та оптимізованого ПІД-регулятора для
компенсації залишкової похибки (Feedback control). Цей підхід забезпечує 90%
ефективності складних MPC-моделей, але потребує лише 10% їхніх
обчислювальних ресурсів, що робить його ідеальним для надійних промислових
ПЛК.
Дослідження у сфері апаратно-програмних комплексів та
диспетчеризації (SCADA, IIoT)
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 17

Остання група літературних джерел присвячена архітектурі систем
диспетчеризації та впровадженню концепції Промислового Інтернету Речей (IIoT –
Industrial Internet of Things). У наукових працях зазначається поступова відмова від
пропрієтарних послідовних шин (RS-485/Modbus RTU) на рівні зв'язку між
контролерами та серверами на користь промислових мереж Ethernet (PROFINET,
Modbus TCP, OPC UA).
Особлива увага в літературі приділяється питанню керування насосним
обладнанням. Доведено, що використання частотно-регульованих приводів (ЧРП)
у замкнених системах опалення дозволяє не лише узгодити гідравлічні режими, але
й знизити споживання електроенергії насосами на 20-40%. Дослідники
підкреслюють необхідність цифрової інтеграції ЧРП з ПЛК через мережеві
інтерфейси, що дозволяє передавати не лише завдання частоти, але й отримувати
діагностичну інформацію (струм двигуна, температуру інвертора, коди помилок)
для предиктивного технічного обслуговування.
Висновки за результатами критичного огляду
Проведений критичний аналіз існуючих інтернет-рішень, патентної бази та
сучасної науково-технічної літератури дозволяє зробити наступні висновки, які є
фундаментом для подальшого проектування:
1. Недоліки COTS-рішень: Використання жорстко спеціалізованих
контролерів типу "чорна скринька" є концептуально застарілим підходом, що
суперечить вимогам стандарту EN 15232 щодо створення відкритих, адаптивних
систем класу A.
2. Розрив між теорією та практикою: Існує значна кількість академічних
розробок (MPC, нейронні мережі), які є надмірно складними для імплементації на
стандартному обладнанні АСУ ТП, що призводить до низької надійності таких
систем у реальних умовах експлуатації теплових мереж.
3. Обґрунтування обраного шляху: Найбільш технічно та економічно
доцільним рішенням є проектування комп'ютерно-інтегрованої системи на базі
універсального промислового логічного контролера. Використання класичного
каскадного підходу (еквітермічна крива + ПІД-корекція з захистом від насичення),
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 18

поєднаного з частотним регулюванням насосів та відкритою архітектурою
диспетчеризації (SCADA), дозволяє заповнити прогалину між складною науковою
теорією та надійною інженерною практикою.

1.3 Патентний пошук та аналіз науково-технічних інновацій у сфері
автоматизації теплових пунктів
Пошук патентної документації здійснювався за період останніх 10 років у
провідних міжнародних та національних реферативних базах даних, включаючи
базу Європейського патентного відомства (Espacenet), Всесвітньої організації
інтелектуальної власності (WIPO/PATENTSCOPE), Google Patents, а також
спеціалізовану базу даних Державного підприємства «Український інститут
інтелектуальної власності» (Укрпатент).
Для забезпечення максимальної релевантності пошуку аналіз проводився за
кодами Міжнародної патентної класифікації (МПК), що безпосередньо охоплюють
сферу автоматизації теплоенергетичних процесів:
• F24D 19/10 – Системи центрального опалення; їх керування або
регулювання.
• G05D 23/00 – Регулювання температури (автоматичні системи
регулювання або керування неелектричними величинами).
• G05B 19/00 – Системи програмного керування (включаючи
застосування промислових контролерів ПЛК).

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 19

Рисунок 1.6 – Класифікація патентних рішень у галузі автоматизації
теплових пунктів

Аналіз міжнародних патентів у сфері гідравлічних та схемотехнічних
рішень
Значна частина патентів, зареєстрованих транснаціональними корпораціями
(Danfoss A/S, Belimo Automation AG, Honeywell International Inc.), стосується
інновацій у гідравлічній структурі теплових пунктів та конструкції регулюючих
органів.
Аналіз європейських патентів (наприклад, рішень компанії Belimo щодо
інтелектуальних клапанів типу Energy Valve) показує стійкий тренд на об'єднання
механічної частини із засобами первинної цифрової обробки даних. Запатентні
рішення описують регулюючі клапани, які в одному корпусі містять
ультразвуковий витратомір, два датчики температури та вбудований
мікроконтролер. Такий пристрій самостійно обчислює поточну теплову потужність
контуру (Q ) і підтримує задану різницю температур ( ΔT ) між подаючим та
зворотним трубопроводами для виключення явища неефективного завантаження
тепломережі.
Інша група патентів описує каскадні схеми підключення пластинчатих
теплообмінників для систем гарячого водопостачання (ГВП) та опалення. Метою
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 20

цих винаходів є максимальне охолодження зворотного магістрального теплоносія
перед його поверненням на теплоелектроцентраль (ТЕЦ).
Критичний аналіз: Попри високу енергоефективність, такі схемотехнічні
рішення мають вузьку спеціалізацію та вимагають використання виключно
пропрієтарного обладнання конкретного виробника. Впровадження
інтелектуальних клапанів типу Energy Valve в умовах модернізації стандартних
бюджетних установ є економічно недоцільним через їхню екстремальну вартість та
складність інтеграції з наявними контролерами інших брендів.
Аналіз патентів у галузі програмно-алгоритмічного забезпечення
У патентних фондах США та ЄС наявна велика кількість патентів,
присвячених алгоритмам предиктивного керування на основі прогнозів погоди
(Weather Predictive Control). Запатентні методи описують системи, які через мережу
Інтернет підключаються до метеорологічних серверів, отримують прогноз
температури, хмарності та сили вітру на 24 години вперед і заздалегідь коригують
положення клапана опалення з урахуванням теплової ємності стін будівлі.
Також існують патенти на алгоритми автоматичного самоналаштування
(Auto-tuning) ПІД-регуляторів для інерційних об'єктів. Вони базуються на аналізі
частотних характеристик системи під час короткочасного пуску регулятора в
релейному режимі (метод автоколивань), що дозволяє ПЛК самостійно
обчислювати оптимальні коефіцієнти K p , Ki , Kd без залучення
висококваліфікованих інженерів.
Критичний аналіз: Основним недоліком запантенованих алгоритмів
предиктивного керування є їхня математична надлишковість та закритість
вихідного коду. Вони орієнтовані на роботу в хмарних серверах (Cloud Computing)
і вимагають постійного швидкісного підключення до Інтернету. У разі обриву
зв'язку система переходить у критичний аварійний режим. Крім того, ліцензійні
обмеження на використання цих алгоритмів унеможливлюють їх пряму
імплементацію у вільно програмовані логічні контролери без сплати роялті
розробникам патентів.
Аналіз вітчизняних патентних рішень (база Укрпатенту)
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 21

Аналіз бази даних Укрпатенту свідчить про високу винахідницьку
діяльність українських вчених у сфері житлово-комунального господарства та
промислової теплоенергетики. Більшість вітчизняних патентів на корисні моделі
стосуються модернізації існуючих елеваторних вузлів та перетворення їх на
автоматизовані ІТП.
Серед виявлених патентів значний інтерес викликають розробки,
спрямовані на створення комбінованих вузлів змішування із застосуванням
гідродинамічних інжекторів (насосно-інжекторні вузли). Патенти описують схеми,
де циркуляційний насос працює не постійно, а вмикається лише в періоди пікових
навантажень або при низьких температурах зовнішнього повітря, тоді як у решту
часу змішування відбувається за рахунок природного тиску магістральної мережі.
Це дозволяє суттєво заощаджувати електричну енергію.
Інша група українських патентів присвячена методам захисту
теплообмінного обладнання від утворення накипу та відкладень за рахунок
ультразвукової або магнітної обробки води, що інтегрується безпосередньо в
контур теплового пункту.
Критичний аналіз: Вітчизняні патенти мають високу практичну цінність
для реалій української інфраструктури, проте вони здебільшого фокусуються на
механічних та гідравлічних аспектів обладнання, залишаючи поза увагою питання
людино-машинного інтерфейсу (HMI), сучасних мережевих протоколів
промислового Ethernet та інтеграції в SCADA-системи вищого рівня, що є критично
важливим для комп’ютерно-інтегрованих технологій.
Обґрунтування патентної чистоти та інженерної новизни
розроблюваного проєкту
Детальний аналіз виявлених міжнародних та вітчизняних патентів дозволив
чітко розмежувати існуючі рішення та розроблювану в даній роботі КІСУ ІТП,
сформулювавши її інженерну новизну та забезпечивши повну патентну чистоту:
1. Використання відкритих стандартів проти пропрієтарних патентів: На
відміну від патентів великих вендорів (Danfoss, Siemens), які прив'язують систему
до закритих апаратних платформ та електронних ключів, проектована система
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 22

базується на використанні загальнопромислових, серійних ПЛК з відкритою
архітектурою. Це повністю виключає порушення патентних прав на закрите
програмне забезпечення іноземних компаній.
2. Оптимізація алгоритмів під наявні обчислювальні ресурси ПЛК:
Замість складних хмарних алгоритмів предиктивного керування, що захищені
закордонними патентами, у роботі розробляється оригінальне програмне
забезпечення мовою SCL (Лістинг 4.1). Воно реалізує комбінований каскадний
принцип (еквітермічна компенсація збурень по входу + ПІД-стабілізація по
виходу). Це дозволяє досягти аналогічного рівня енергозбереження (до 25%), але
виконується безпосередньо в локальній пам'яті ПЛК детерміновано і незалежно від
наявності Інтернет-зв'язку.
3. Комплексний підхід до автоматизації: На відміну від
вузькоспрямованих вітчизняних патентів, які описують лише окремі гідравлічні
вузли, розроблюваний проєкт охоплює всі три рівні автоматизації (Field, Control,
Supervisory). Поєднання локальних алгоритмів захисту від "сухого ходу" (Формула
4.8) з розрахунком інформаційного навантаження комунікаційного каналу Modbus
TCP (Формула 4.9) та проектуванням реляційних баз даних SCADA (Формула 4.10)
створює закончене системне інженерне рішення.
Таким чином, проведений патентний пошук підтверджує, що розроблювана
комп’ютерно-інтегрована система керування індивідуальним тепловим пунктом є
технічно та економічно доцільною, має високу інженерну новизну, не порушує
чинних майнових прав на інтелектуальну власність інших розробників і готова до
практичної реалізації в рамках даної кваліфікаційної роботи.
Висновки
На основі комплексного, тривекторного критичного аналізу, що охопив
огляд комерційних рішень в мережі Інтернет, аналіз фундаментальних
літературних джерел та дослідження патентного фонду, сформовано стійке
науково-технічне обґрунтування даного дипломного проєкту.
Доведено, що наявні на ринку готові системи автоматизації мають або
закритий характер («чорні скриньки»), або є економічно недоступними та
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 23

надлишковими для модернізації типових адміністративних будівель. Наукові
розробки часто відірвані від реальної промислової апаратної бази, а патенти
описують вузькоспеціалізовані інновації.
Це підтверджує гостру необхідність розробки відкритої комп'ютерно-
інтегрованої системи на базі промислового ПЛК із впровадженням оригінального
програмного забезпечення для еквітермічного та часового регулювання, що
дозволить заповнити наявну прогалину та створити надійне, високоефективне й
енергозберігаюче рішення.

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 24

2. Обґрунтування технічного завдання

Проєктування комп'ютерно-інтегрованої системи управління розпочинається
з чіткої формалізації вимог, які визначають архітектуру, функціональні можливості
та техніко-економічні показники майбутньої розробки. Головною метою
створюваної системи є забезпечення безперервного автоматичного керування
процесами підготовки та розподілу теплоносія в контурах опалення та вентиляції
адміністративної будівлі. Основний акцент робиться на енергозбереженні, що
передбачає зниження споживання тепла на 15–25% за рахунок еквітермічного
(погодного) регулювання та впровадження часових профілів роботи. Додатковою
вимогою є ресурсозбереження: зменшення витрат електричної енергії до 30%
шляхом переходу від неефективного дросельного до частотного керування
продуктивністю насосних агрегатів. Система також повинна гарантувати надійний
захист дороговартісного тепломеханічного обладнання від гідравлічних ударів,
перевищення тиску та небезпечного режиму «сухого ходу».
Об'єктом управління є індивідуальний тепловий пункт (ІТП), що функціонує
за незалежною схемою через пластинчасті теплообмінники. З позицій теорії
автоматичного керування це багатозв'язна, суттєво нелінійна система зі значним
транспортним запізненням. Основними керованими параметрами виступають
температура теплоносія в подавальному трубопроводі та перепад тиску в мережі.
Найбільшим збурюючим впливом, який має безперервно компенсуватися, є зміна
температури зовнішнього повітря. Для зміни кількості теплоти, що надходить у
систему, виконавчими механізмами слугують двоходові регулюючі клапани з
електромоторними приводами (наприклад, Danfoss), а циркуляція забезпечується
насосними агрегатами (наприклад, Grundfos).
Для забезпечення безвідмовної роботи архітектура апаратної частини
повинна будуватися виключно на базі надійних засобів промислової автоматизації.
Ядром системи виступає вільно програмований логічний контролер (ПЛК)
модульного типу, такий як Omron серії CJ2M, який володіє достатнім обсягом
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 25

пам'яті для виконання складних математичних розрахунків з дійсними числами та
має вбудовану підтримку промислового Ethernet. Вимірювання технологічних
параметрів повинно здійснюватися прецизійними термоперетворювачами опору
(Pt100) та тензорезистивними перетворювачами тиску рівня Siemens Sitrans.
Керування насосами реалізується за допомогою перетворювачів частоти
(наприклад, GE серії VAT300), що підтримують інтеграцію в систему через
аналогові сигнали 0-10 В або цифрову шину RS-485. Важливою вимогою є те, що
всі схемотехнічні рішення (принципові електричні схеми та переліки елементів)
повинні проектуватися у сучасних САПР, таких як Altium Designer, із суворим
дотриманням стандартів Єдиної системи конструкторської документації (ЄСКД).
Програмне забезпечення ПЛК має розроблятися згідно з міжнародним
стандартом IEC 61131-3. Алгоритмічна база повинна включати обчислення
еквітермічної уставки, оптимізований цифровий ПІД-регулятор з функцією захисту
від інтегрального насичення (Anti-Windup) та жорсткі програмно-апаратні
алгоритми блокувань. У системі також має бути реалізована дворівнева концепція
диспетчеризації. На локальному рівні на фасаді шафи керування встановлюється
графічна сенсорна панель оператора (HMI) для моніторингу мнемосхеми та
оперативного налаштування коефіцієнтів регулювання. На верхньому рівні ПЛК
інтегрується в серверну SCADA-систему через протокол Modbus TCP або
PROFINET, що забезпечує довгострокове архівування технологічних трендів у
реляційну базу даних та включення ІТП до загальної системи управління будівлею
(BMS).

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 26

3. Розробка структурної та принципової схеми системи

3.1 Розробка структурної схеми

Розробка структурної схеми електричної (код Е1) є початковим і
визначальним етапом проєктування технічного забезпечення комп'ютерно-
інтегрованої системи керування (КІСУ) індивідуальним тепловим пунктом (ІТП).
Згідно з вимогами ДСТУ ГОСТ 2.701:2008, дана схема визначає основні
функціональні частини системи, їхнє цільове призначення, топологію розподілу
живлення та інформаційні взаємозв'язки між компонентами.
З метою мінімізації капітальних витрат, забезпечення високої живучості
системи та реалізації алгоритмів глибокого енергозбереження, архітектуру КІСУ
ІТП побудовано за децентралізованим ієрархічним принципом. Відповідно до
концепції інтеграції систем керування (стандарт ДСТУ IEC 62264-1), проектована
система чітко диференціюється на три взаємопов'язані рівні: польовий (нижній),
контролерний (середній) та диспетчерський (верхній).
Нижній (польовий) рівень системи керування
Польовий рівень безпосередньо взаємодіє з тепломеханічним та
гідравлічним обладнанням ІТП. Його функціональна частина розподілена на два
автономні інженерні блоки: первинні вимірювальні перетворювачі (датчикова
апаратура) та виконавчі механізми з силовими приводами.
1. Первинні вимірювальні перетворювачі:
o Канал вимірювання температури (позначення на схемі — BK, BT): Для
зняття температурних показників використовуються високоточні
термоперетворювачі опору (наприклад, Pt100 або Pt1000) з інтегрованими в
головку датчика нормуючими перетворювачами. Це дозволяє трансформувати
зміну опору чутливого елемента в уніфікований аналоговий сигнал струму 4...20
мА. Струмовий сигнал має високу завадостійкість при передачі на значні відстані
та дозволяє контролеру діагностувати обрив лінії зв'язку. Датчик BK1 здійснює
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 27

моніторинг температури зовнішнього повітря (Tзовн ), що є базовим параметром для
розрахунку еквітермічного графіка. Датчики BT1–BT4 встановлюються в гільзи на
подаючих та зворотних трубопроводах контурів опалення (СО) тта вентиляції (СВ)
для контролю фактичного теплознімання будівлі.
o Канал вимірювання тиску (позначення на схемі — BP): Датчики тиску
BP1–BP4 на базі п'єзорезистивних тензоперетворювачів контролюють статичний
та динамічний тиск у контурах. Їхні сигнали (4...20 мА) є критично важливими для
реалізації алгоритмів захисту від кавітації, гідравлічних ударів та виявлення
витоків теплоносія.
2. Виконавчі механізми та приводи:
o Регулююча арматура (позначення на схемі — Y1, Y2): Представлена
двоходовими сідельними клапанами (наприклад, лінійки Danfoss) з
інтелектуальними електричними приводами реверсивного типу. Приводи
керуються аналоговим сигналом напруги 0...10 В (або струму 4...20 мА) від
контролера, забезпечуючи плавну зміну прохідного перерізу клапана для точного
дроселювання потоку високотемпературної мережної води через теплообмінники.
o Насосні агрегати (позначення на схемі — M1, M2): Циркуляцію
теплоносія забезпечують малошумні відцентрові насоси (наприклад, Grundfos).
Для досягнення максимальних показників енергозбереження управління
електродвигунами насосів реалізовано через окремі частотно-регульовані приводи
(U1, U2).
Середній (контролерний) рівень керування
Центральним ядром, що акумулює логіку керування ІТП, є програмований
логічний контролер (ПЛК) A1 (сучасна модульна серія типу Siemens Simatic S7-
1200 або Omron). Вільнопрограмована архітектура ПЛК, на відміну від жорстко
зафіксованих погодних регуляторів, дозволяє гнучко модернізувати математичне
забезпечення системи.
Апаратна структура ПЛК A1 містить такі модулі:
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 28

• Модуль аналогового вводу (AI): здійснює високошвидкісне аналого-
цифрове перетворення (АЦП) сигналів 4...20 мА від датчиків тиску та температури
у внутрішнє цифрове представлення контролера.
• Модуль аналогового виводу (AQ): виконує зворотно-цифрове
перетворення (ЦАП) для формування керуючих впливів 0...10 В на частотні
перетворювачі (U1, U2) та приводи клапанів.
• Модулі дискретного вводу/виводу (DI/DQ): обробляють сигнали
аварійних контактів (сухий хід, перегрів приводу, стан автоматів захисту) та
видають команди на релейну комутацію додаткового обладнання (наприклад,
електромагнітних клапанів підживлення).
Програмний комплекс ПЛК в циклічному режимі реалізує каскадні ПІД-
регулятори, що стабілізують температуру в контурах з урахуванням теплової
інерції огороджувальних конструкцій споруди, виконує автоматичне перемикання
насосів на резервні за напрацюванням мотогодин та забезпечує захист
теплообмінних апаратів від замерзання у зимовий період.
Електроживлення логічної частини середнього рівня та активних датчиків
польового рівня здійснюється від імпульсного джерела стабілізованого живлення
G1, яке трансформує мережну напругу ~220 В у безпечну напругу постійного
струму =24 В DC. Блок живлення забезпечує гальванічну ізоляцію контролерного
обладнання від промислових завад силової мережі.
3.1.3 Верхній (диспетчерський) рівень та людино-машинний інтерфейс
(HMI)
Верхній рівень призначений для оперативного контролю, збору аналітики,
архівації та взаємодії експлуатаційного персоналу з КІСУ.
1. Локальний HMI (позначення на схемі — A2):
Реалізований у вигляді сенсорної графічної панелі оператора, що
монтується безпосередньо в двері силової шафи керування ІТП. Зв’язок між ПЛК
A1 та панеллю A2 організовано по локальному промисловому інтерфейсу.
Локальний HMI відображає спрощену мнемосхему пунктів, поточні значення
технологічних параметрів, активні аварійні сповіщення та дозволяє сервісному
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 29

інженеру змінювати коефіцієнти ПІД-регуляторів та уставки температур
безпосередньо на об'єкті.
2. Віддалена SCADA-система / BMS (позначення на схемі — A3):
Являє собою диспетчерський комп'ютер (АРМ оператора-
енергоменеджера), розташований у центральному диспетчерському пункті будівлі.
На рівні SCADA здійснюється довгострокове архівування трендів
енергоспоживання, комерційний облік теплоти, ведення журналів аварійних подій
(Alarm Logging) та інтеграція системи в загальнобудинкову концепцію
інтелектуального керування (Building Management System — BMS).
Топологія інформаційних каналів та комунікаційні протоколи
Специфіка комп'ютерно-інтегрованої системи полягає у використанні
відкритих стандартизованих протоколів промислового зв'язку, що повністю
виключає використання закритих аналогових рішень.
• Рівень «ПЛК — ЧРП»: Зв'язок між контрольним пристроєм A1 та
частотними перетворювачами насосів U1, U2 реалізується за допомогою
послідовного інтерфейсу RS-485 по промисловому протоколу Modbus RTU. Це
дозволяє не лише передавати частоту обертання, а й зчитувати з приводів
розширену телеметрію: споживаний струм, активну потужність, тепловий стан
обмоток двигуна та коди помилок.
• Рівень «ПЛК — Магістральна мережа»: Інтеграція середнього та
верхнього рівнів (ПЛК A1, HMI A2, SCADA A3) здійснюється через
високошвидкісну мережу промислового Ethernet за протоколом PROFINET або
Modbus TCP. Використання комутаційного обладнання забезпечує детермінований
час доставки пакетів даних, високу пропускну здатність каналів та можливість
віддаленого веб-доступу до контролера через захищені VPN-тунелі для
моніторингу ІТП з будь-якої точки.
Концепція енергозбереження в структурі зв'язків
Описана структура безпосередньо орієнтована на мінімізацію споживання
енергоресурсів. При фіксації датчиком BK1 підвищення температури зовнішнього
повітря, ПЛК A1 за закладеним алгоритмом обчислює нове (знижене) значення
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 30

уставки. Модуль аналогового виводу коригує сигнал керування клапанами Y1, Y2,
зменшуючи подачу гарячого теплоносія з ТС. Одночасно, через інтерфейс RS-485,
контролер надсилає команди до частотних перетворювачів U1, U2 для зменшення
обертів електродвигунів насосів M1, M2. Це дозволяє оптимізувати гідравлічний
тиск у внутрішньобудинковій мережі відповідно до зменшеної витрати, що
забезпечує комплексне збереження як теплової, так і електричної енергії.

Рисунок 3.1 – Схема електрична структурна

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 31

3.2 Розробка схеми електричної принципової системи автоматизації

Схема електрична принципова КІСУ ІТП розроблена з метою повного
технічного опису електричних кіл автоматики, сигналізації, захисту та силового
живлення виконачих пристроїв. При проектуванні схеми враховано вимоги
стандартів ДСТУ EN 60204-1 (безпека машин, електрообладнання) та серії ДСТУ
ГОСТ 2.755 (позначення умовні графічні).
Для забезпечення зручності читання та обслуговування, принципову схему
шафи керування тепловим пунктом розділено на чотири функціональні групи кіл:
1. Кола силового електроживлення (~380В / ~220В) та захисту
автоматики.
2. Кола підключення дискретних входів та виходів ПЛК.
3. Кола аналогових каналів вимірювання та керування.
4. Інтерфейсні кола промислових комунікаційних мереж.
Кола силового електроживлення та захисту автоматики
Вхідне живлення шафи автоматики здійснюється від головного
розподільчого щита (ГРЩ) об'єкта по трифазній чотирипровідній або
п'ятипровідній системі змінно струму з напругою ~380/220 В та частотою 50 Гц.
• Ввід та комутація: На вході шафи встановлено головний автоматичний
вимикач типу QF1 із розчеплювачем комбінованого типу (електромагнітний та
тепловий), який захищає внутрішні мережі від струмів короткого замикання (КЗ)
та тривалих перевантажень. Для візуального контролю наявності фаз на ввідній
шині інтегровано три світлосигнальні арматури HL1–HL3 (L1, L2, L3).
• Силові кола двигунів: Живлення асинхронних двигунів циркуляційних
насосів контурів опалення (M1) та вентиляції (M2) підключено через індивідуальні
частотно-регульовані приводи (ЧРП), позначені як U1 та U2. Захист кожної силової
лінії ЧРП реалізовано за допомогою швидкодіючих автоматичних вимикачів QF2,
QF3 з кривою вимкнення типу C або B, що враховує пускові струми
перетворювачів.
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 32

• Кола живлення низьковольтної логіки: Для отримання стабілізованої
напруги постійного струму =24 В, яка є базовою для живлення контролера та
польових датчиків, застосовано імпульсне джерело живлення G1 (наприклад,
лінійки Siemens SITOP). Первинне коло джерела живлення (~220 В) захищене
окремим однополюсним автоматичним вимикачем QF4 та обмежувачем
імпульсних перенапруг (ПЗІП) для нівелювання комутаційних перешкод
магістральної мережі. Вихідне коло =24 В захищене селективним електронним
модулем захисту або плавкими запобіжниками FU1, FU2 для розділення ліній
живлення процесора та зовнішніх польових пристроїв.
Схема підключення дискретних входів та виходів ПЛК
Модуль процесора ПЛК (наприклад, Siemens CPU 1214C або аналог Omron)
використовує дискретні канали для контролю дискретних станів системи та
релейного керування допоміжними елементами.
• Дискретні входи (Digital Inputs — DI): Всі дискретні входи ПЛК
живляться внутрішньою напругою =24 В через систему «сухих контактів». До
вхідних клем підключаються:
o Допоміжні контакти автоматичних вимикачів силових кіл (для
моніторингу їхнього стану — «Увімкнено/Аварія»).
o Дискретні релейні виходи «Аварія» з частотних перетворювачів U1,
U2.
o Електроконтактні манометри (SP1, SP2) захисту від сухого ходу та
критичного падіння тиску.
o Сигналізатори рівня або датчики затоплення приміщення ІТП.
o Двопозиційні перемикачі режиму роботи на дверях шафи (SA1, SA2)
для вибору режиму: «Автоматичний / Ручний».
• Дискретні виходи (Digital Outputs — DQ): Оскільки напівпровідникові
(транзисторні) виходи ПЛК мають обмеження за струмом (зазвичай до 0.5 А), на
принциповій схемі реалізовано схему гальванічної розв'язки. Виходи ПЛК
підключаються до котушок проміжних реле типу KL1–KLn (напруга котушки =24
В DC). Шунтування котушок реле зворотними діодами запобігає виникненню ЕРС
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 33

самоіндукції, яка може пошкодити транзисторні ключі контролера. Вже
безпосередньо потужні перекидні контакти реле KL комутують зовнішні кола
(~220 В): сигнали запуску ЧРП, котушки магнітних пускачів підживлювальних
насосів та світлову сигналізацію аварій на лицьовій панелі шафи.
Організація кіл аналогових вимірювань та керування
Аналогові кола забезпечують точність збору метрик та безперервне ПІД-
регулювання теплового потоку, що є критичним для виконання завдання
енергозбереження.
• Підключення датчиків (Аналогові входи — AI): На схемі відображено
підключення датчиків температури (BK1 — зовнішнє повітря, BT1–BT4 —
теплоносій) та тиску (BP1–BP4). Всі первинні перетворювачі підключені за
двопровідною схемою типу «струмова петля 4...20 мА».
Живлення =24 В подається в розрив петлі від шафи автоматики. Струм,
пропорційний вимірюваній величині, протікає через аналоговий вхідний модуль
ПЛК, де на прецизійному внутрішньому шунтувальному резисторі (зазвичай 250
Ом) формується падіння напруги, яке зчитується АЦП контролера. Такий підхід
забезпечує компенсацію опору довгих з'єднувальних дротів та високу
перешкодозахищеність від наведень силового обладнання.
• Керування виконавчими механізмами (Аналогові виходи — AQ):
Вихідні канали аналогового модуля ПЛК генерують уніфікований сигнал напруги
0...10 В. Ці лінії зв'язку підключаються до аналогових входів керування частотою
ЧРП U1, U2 та до електроприводів двоходових регулюючих клапанів Danfoss (Y1,
Y2). Зміна керуючої напруги викликає пропорційне переміщення штока клапана
або зміну частоти обертання насоса, забезпечуючи плавну та точну стабілізацію
температурних параметрів. Для усунення високочастотних завад лінії аналогових
сигналів виконуються екранованими кабелями (наприклад, LiYCY), причому екран
кабелю заземлюється лише з одного боку — безпосередньо на шину заземлення
(PE) в шафі керування.
Комунікаційні інтерфейси промислових мереж
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 34

Для повної комп'ютерної інтеграції ІТП у схему закладено цифрові
комунікаційні канали.
• Шина RS-485: Перетворювачі частоти U1, U2 об'єднуються в локальну
мережу за допомогою інтерфейсу RS-485 (двопровідна лінія — сигнали Data A+ та
Data B-). На кінцях лінії встановлюються термінуючі резистори (Terminal Resistor,
Rt =120 Ом) для запобігання відбиттю хвиль сигналу. Обмін даними з ПЛК
виконується за протоколом Modbus RTU.
• Мережа PROFINET / Ethernet: Підключення панелі оператора A2 та
вихід на верхній рівень диспетчеризації SCADA A3 реалізовано за допомогою
промислового Ethernet-кабелю категорії Cat5e або вище з використанням
стандартних екранованих роз'ємів RJ-45. Для об'єднання пристроїв всередині шафи
передбачено промисловий некерований комутатор (Switch), який має захист від
електромагнітних завад та промислове виконання для монтажу на DIN-рейку.

Рисунок 3.2 – Схема електрична принципова

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 35

Рисунок 3.3 – Схема електрична принципова підключення мікроконтролера

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 36

4 Розрахунок основних вузлів схеми

4.1 Математичне моделювання та розробка алгоритму еквітермічного
керування контуром опалення

Для забезпечення високих показників енергоефективності індивідуального
теплового пункту (ІТП) застосування класичних систем стабілізації температури на
фіксованому рівні є недостатнім. Сучасна парадигма автоматизації, що
реалізується на базі промислових логічних контролерів (ПЛК), вимагає
застосування адаптивних алгоритмів, які враховують динаміку тепловтрат будівлі.
Основою розробленого програмного забезпечення є алгоритм
еквітермічного (погодного) регулювання. Його головна задача полягає у
безперервному обчисленні оптимальної температури теплоносія, що подається у
внутрішній контур опалення будівлі, залежно від поточної температури
зовнішнього повітря. Це дозволяє уникнути "перетопів" у перехідні періоди (осінь,
весна) та компенсувати теплову інерцію огороджувальних конструкцій.
Математична модель опалювальної кривої
Для визначення цільової температури теплоносія (уставки)
використовується математична модель теплового балансу будівлі, яка
апроксимується лінійно-експоненційною залежністю, відомою як "опалювальна
крива" (Heating Curve).
Формула (4.1):
 T −T 
Tset = Tin _ base + (Tin _ base −Tout ) ⋅ Kslope ⋅ max in _ base
 + Kshift (4.1)
Tin _base −Tout _ min 
де:
• Tset (Temperature Setpoint) — обчислене цільове значення температури
теплоносія в подаючому трубопроводі, °C;
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 37

• Tin _ base (Temperature Inside Base) — базова бажана температура всередині
приміщення (комфортна норма), °C;
• Tout (Temperature Outside) — поточне значення температури
зовнішнього повітря, отримане з первинного перетворювача (датчика), °C;
• Kslope (Curve Slope) — безрозмірний коефіцієнт нахилу опалювальної
кривої, який характеризує ступінь теплоізоляції будівлі та тип опалювальних
приладів;
• Tmax (Temperature Maximum) — максимальна розрахункова температура
теплоносія для даної системи (згідно з теплотехнічним проектом), °C;
• Tout _ min (Temperature Outside Minimum) — розрахункова мінімальна
температура зовнішнього повітря для даного кліматичного регіону (температура
найхолоднішої п'ятиденки), °C;
• Kshift (Curve Shift) — коефіцієнт паралельного зсуву кривої для корекції
загального рівня теплового потоку, °C.
Розрахунковий приклад до формули (4.1):
Виконаємо розрахунок уставки для типового адміністративного
приміщення зі стандартною теплоізоляцією за наступних вхідних умов:
Базова температура приміщення: Tin _ base = 20°C
Поточна температура на вулиці: Tout = −5°C
Коефіцієнт нахилу для радіаторної системи: Kslope =1.1
Максимальна температура теплоносія: T °
max = 85 C
Мінімальна вулична температура (кліматична норма): T °
out _ min = −22 C
Зсув кривої (за замовчуванням): K = 0°
shift C
Підставляємо значення:
T = 20 + (20 − (−5)) 1.1 
⋅ ⋅ 85 − 20 
set  + 0
 20 − (−22) 
Tset = 20 + 25 ⋅1.1⋅ 65 
 42 

 
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 38

Tset = 20 + 27.5 ⋅1.547
Tset = 20 + 42.54 = 62.54°C
Висновок: При температурі на вулиці -5°C контролер встановить цільову
температуру подачі на рівні 62.54°C.

Алгоритм часового зниження теплоспоживання (Night Setback)
Ключовим фактором енергозбереження для адміністративних будівель є
впровадження календарного графіка (таймера), що використовує годинник
реального часу (Real Time Clock - RTC) ПЛК. У неробочий час (нічні години,
вихідні та святкові дні) немає потреби підтримувати комфортну температуру 20°C
. Алгоритм перемикає систему в режим "Еко", знижуючи базову температуру.
Формула (4.2):
Teco = Tin _ base − ΔTdrop (4.2)

Де:
• Teco (Temperature Eco) — нове (знижене) значення внутрішньої температури
для обчислення опалювальної кривої, °C;
• ΔTdrop (Temperature Drop) — дельта зниження температури у неробочий час,
°C.
Формула (4.3) — Оцінка енергозбереження:
Згідно з законами термодинаміки, відсоткова економія теплової енергії Esave
від зниження внутрішньої температури розраховується як відношення дельти до
різниці температур:
ΔT
E drop
save = ⋅100% (4.3)
Tin _base −Tout _ avg

де:
• Esave (Energy Savings) — орієнтовна економія теплової енергії, %;
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 39

• Tout _ avg (Temperature Outside Average) — середня температура
зовнішнього повітря за розрахунковий період, °C.
Розрахунковий приклад до формул (4.2) та (4.3):
Адміністративна будівля не використовується з 19:00 до 07:00. Встановлено
дельту зниження: ΔT °
drop = 4 C .
Середня нічна температура вулиці: T °
out _ avg = 0 C .
Знижена температура приміщення:
T °
eco = 20 − 4 = 16 C . (Це значення підставляється у Формулу 4.1 замість Tin _ base
на нічний період).
Розрахунок економії енергії:
E 4
save = ⋅100% = 4 ⋅100% = 20%
20 − 0 20
Висновок: Зниження температури в будівлі на 4°C у нічний час дозволяє
заощадити близько 20% теплової енергії в цей період.

Дискретний ПІД-закон керування виконавчими механізмами
Отримавши динамічно розраховану уставку Tset , контролер повинен
забезпечити її фізичне підтримання. Для цього ПЛК генерує керуючий вплив на
сервопривід двоходового регулюючого клапана. Завданням клапана є зміна
витрати гарячого теплоносія з магістральної мережі через теплообмінник. У
програмному забезпеченні контролера реалізовано пропорційно-інтегрально-
диференціальний (ПІД) регулятор у дискретній (позиційній) формі, оскільки
процесор ПЛК виконує обчислення циклічно з певним кроком.
Формула (4.4) — Обчислення похибки:

e[k] = Tset[k]−Tfact[k] (4.4)

де:
• e[k] неузгодженість (похибка) регулювання на поточному циклі k , °C;
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 40

• Tset[k] — поточна уставка, °C;
• Tfact[k] (Temperature Fact) — фактична температура теплоносія за
датчиком, °C.
Формула (4.5) — Дискретне рівняння ПІД-регулятора:

k
U[k] = K p ⋅e[k]+ Ki ⋅ (e[i] ⋅T ) + K ⋅ e[k]− e[k −1]
s d (4.5)
i=0 Ts

• Де: U[k] (Control Output) — обчислений керуючий вплив на кроці k ,
виражений у відсотках (0...100%);
• K p (Proportional Gain) — пропорційний коефіцієнт;
• Ki (Integral Gain) — інтегральний коефіцієнт, 1/c;
• Kd (Derivative Gain) — диференціальний коефіцієнт, c;
• Ts (Sample Time) — час дискретизації (період виклику ПІД-
переривання в ПЛК), с;
• e[k −1] — похибка на попередньому кроці розрахунку.
Для керування аналоговим електроприводом (наприклад, Danfoss)
обчислений відсоток необхідно перетворити у фізичну напругу керування (0...10
В), що подається через модуль аналогового виводу (AQ) контролера.
Формула (4.6) — Масштабування вихідного сигналу:

V U[k]
out[k] = ⋅Vmax (4.6)
100

де:
• Vout[k] (Voltage Out) — фізична напруга на виході контролера, В;
• Vmax (Voltage Maximum) — максимальна напруга керування приводу
(стандартно 10 В).
Розрахунковий приклад до формул (4.4), (4.5) та (4.6):
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 41

Виконаємо розрахунок однієї ітерації ПІД-алгоритму в ПЛК.
Параметри налаштування: K p = 3.0 , Ki = 0.2 , Kd = 0.5 . Час циклу ПЛК: Ts =1 c
Поточна уставка: Tset = 62.5°C . Фактична температура: Tfact = 60.0°C .
Похибка на поточному кроці: e[k] = 62.5 − 60.0 = 2.5°C .
Похибка на попередньому кроці: e[k −1] = 2.8°C .
Накопичена сума похибок (інтегратор) до кроку k становить 40.0°C ⋅c . Нова
сума: 40.0 + 2.5 ⋅1 = 42.5 .
Обчислення керуючого впливу:

U[k] = 3.0 ⋅ 2.5 + 0.2 ⋅ 42.5 + 0.5 ⋅ 2.5 − 2.8
1

U[k] = 7.5 + 8.5 + 0.5 ⋅ (−0.3) = 16.0 − 0.15 = 15.85%

Масштабування для аналогового виходу:

V 15.85
out[k] = ⋅10 = 0.1585 ⋅10 = 1.585 B
100

Висновок: При поточній похибці у 2.5°C контролер сформує на аналоговому
виході сигнал напругою ≈1.59 В , що призведе до відкриття регулюючого клапана
на 15.85% від його повного ходу, плавно збільшуючи подачу теплоносія без різких
гідравлічних стрибків.
Застосована математична модель, реалізована у вигляді циклічного
алгоритму ПЛК, гарантує відсутність ефекту автоколивань в системі, забезпечуючи
плавне відпрацювання збурень з боку зовнішнього середовища та максимальну
енергоефективність індивідуального теплового пункту.

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 42

4.2 Розробка архітектури прикладного програмного забезпечення ПЛК
та алгоритмів нормалізації даних

Сучасна концепція розробки програмного забезпечення для промислових
логічних контролерів базується на принципах модульності та ієрархічності згідно
з міжнародним стандартом IEC 61131-3. Програма керування індивідуальним
тепловим пунктом (ІТП) не пишеться єдиним монолітним блоком, а розбивається
на окремі функціональні модулі (Function Blocks - FB) та функції (Functions - FC),
що викликаються з головного організаційного блоку (Organization Block - OB1) та
блоків циклічних переривань (наприклад, OB30).
Такий підхід дозволяє оптимізувати час циклу ПЛК (Scan Cycle Time),
ізолювати алгоритми енергозбереження від рутинних задач обробки входів/виходів
та забезпечити високу надійність системи керування.

Нормалізація та масштабування аналогових сигналів датчиків
Перш ніж математична модель (описана в підрозділі 4.1) зможе розрахувати
цільову уставку температури, ПЛК повинен зчитати фізичні сигнали з польового
рівня і перетворити їх у дійсні інженерні величини (Real).
Перетворювачі температури (Pt100) та тиску, встановлені в ІТП, генерують
уніфікований струмовий сигнал 4…20 мА. Аналого-цифровий перетворювач
(АЦП) контролера трансформує цей струм у цілочисельний машинний код
(Integer). Для контролерів Siemens стандартом є діапазон АЦП від 0 до 27648 (для
уніполярних сигналів).
Щоб отримати фізичне значення температури або тиску в інженерних
одиницях ( °C або Bar), у ПЗ контролера реалізовано алгоритм лінійного
масштабування (Linear Scaling).
Формула (4.7) — Масштабування аналогового сигналу:
Val Rawin − Rawmin
scaled = ⋅ (Eng
Raw − Raw max − Engmin ) + Engmin (4.7)
max min

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 43

де:
• Valscaled (Scaled Value) — обчислене значення технологічного параметра
в інженерних одиницях (Real);
• Rawin (Raw Input) — поточне цілочисельне значення, отримане з каналу
АЦП контролера;
• Rawmin (Raw Minimum) — мінімальне значення коду АЦП (стандартно 0 );
• Rawmax (Raw Maximum) — максимальне значення коду АЦП
(стандартно 27648);
• Engmin (Engineering Minimum) — мінімальна межа вимірювання
фізичного датчика;
• Engmax (Engineering Maximum) — максимальна межа вимірювання
фізичного датчика.
Розрахунок до формули (4.7):
Виконаємо програмний розрахунок масштабування для датчика
температури зовнішнього повітря (T_{out}).
Вхідні дані (характеристики датчика та ПЛК):
Діапазон вимірювання датчика: від Eng = −50.0°C до Eng = +50.0°
min max C .
Діапазон АЦП ПЛК: Rawmin = 0 , Rawmax = 27648 .
Поточний код, лічений з модуля AI: Rawin =11059 .
Крок 1. Обчислення нормалізованого відношення (відсоток шкали):

Ratio = 11059 − 0 = 0.40 (або 40%)
27648 − 0

Крок 2. Обчислення фізичного значення:
Valscaled = 0.40 ⋅ (50.0 − (−50.0)) + (−50.0)
Valscaled = 0.40 ⋅100.0 − 50.0
Valscaled = 40.0 − 50.0 = −10.0°C
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 44

Висновок розрахунку: При отриманні машинного коду 11059 від модуля
аналогового вводу, програмний блок масштабування обчислить реальну
температуру на вулиці як −10.0°C . Ця змінна типу Real (з рухомою комою) далі
передається в блок розрахунку еквітермічної кривої.

Структурна організація програмних блоків керування
Програмний проект ІТП структуровано на такі базові блоки:
1. OB1 (Main Task): Головний організаційний блок. Виконує загальний
виклик функцій обробки аварій, масштабування аналогових сигналів (FC10
"Analog_Scale") та передачі даних на HMI панель.
2. OB30 (Cyclic Interrupt): Блок циклічного переривання. Викликається
апаратно таймером процесора кожні 100 мс. У ньому розташований екземпляр ПІД-
регулятора (FB41 "PID_Compact"). Суворий детермінізм часу є критичним для
правильного інтегрування та диференціювання в ПІД-законі.
3. FB10 (Weather_Comp): Функціональний блок, написаний мовою
високого рівня SCL (Structured Control Language). В ньому реалізована математика
формул (4.1) та (4.2). Блок має власну пам'ять (Instance Data Block - DB10) для
зберігання поточних розрахованих коефіцієнтів та таймерів.

Логіко-математична модель аварійного захисту (Dry Run Protection)
Окрім плавного регулювання температури, програмне забезпечення
повинно миттєво реагувати на критичні апаратні збої для збереження цілісності
тепломеханічного обладнання. Найбільш небезпечним режимом для
циркуляційних насосів (Grundfos) є "сухий хід" (Dry Run) — робота насоса без
теплоносія, що призводить до руйнування торцевих ущільнень та перегріву
статора.
Для програмної реалізації захисту використовується булева алгебра з
інтеграцією часових затримок (Timer On-Delay, TON). Алгоритм аналізує три
змінні: команду на запуск насоса, статус реле протоку (або реле перепаду тиску) та
таймер перехідного процесу.
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 45

Формула (4.8) — Булеве рівняння аварії "сухого ходу":

Alarmdry _ run = Cmd pump _ run ∧ (¬Sensorflow ) ∧ TimerTON .Q (4.8)

де:
• Alarmdry _ run (Alarm Dry Run) — вихідний булевий сигнал (True/False)
аварійної зупинки насоса;
• Cmd pump _ run (Command Pump Run) — сигнал (True), що насосу видано
команду на роботу від ПЛК;
• ∧ (Логічне "І" - AND) — оператор кон'юнкції;
• ¬ (Логічне "НІ" - NOT) — оператор інверсії;
• Sensorflow (Sensor Flow) — дискретний сигнал (True) від реле протоку або
перепаду тиску (підтвердження наявності води);
• TimerTON .Q (Timer On-Delay Output) — вихід таймера затримки (True),
який відраховує час Tdelay з моменту запуску насоса. Затримка необхідна для
ігнорування відсутності тиску в перші секунди розгону крильчатки.
Розрахунок до формули (4.8):
Проаналізуємо поведінку логічного рівняння під час штатного пуску насоса
та під час виникнення аварійної ситуації (прорив труби та втрата тиску).
Налаштування таймера розгону насоса: Tdelay = 5 секунд.
Сценарій 1: Штатний пуск.
Час t = 0 сек. ПЛК видає команду пуску: Cmd pump _ run =1. Насос почав розгін,
тиску ще немає: Sensorflow = 0 . Таймер тільки запустився: TimerTON .Q = 0 .
Alarm = 1 ∧ (¬0) ∧ 0 = 1 ∧ 1 ∧ 0 = 0 (Аварії немає).
Час t = 3 сек. Насос розігнався, з'явився тиск: Sensorflow =1. Таймер ще не
вийшов: TimerTON .Q = 0 .
Alarm = 1 ∧ (¬1) ∧ 0 = 1 ∧ 0 ∧ 0 = 0 (Аварії немає).
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 46

Час t = 6 сек. Насос працює штатно. Тиск в нормі: Sensorflow =1. Таймер
вийшов: TimerTON .Q =1.
Alarm = 1 ∧ (¬1) ∧ 1 = 1 ∧ 0 ∧ 1 = 0 (Аварії немає). Насос продовжує роботу.
Сценарій 2: Втрата теплоносія під час роботи (Dry Run).
Час t =120 сек. Насос працює (Cmd pump _ run =1), таймер давно вийшов (
TimerTON .Q =1). Відбувається прорив, тиск падає: Sensorflow = 0 .
Alarm = 1 ∧ (¬0) ∧ 1 = 1 ∧ 1 ∧ 1 = 1 (АВАРИЯ!).
Висновок розрахунку: Булеве рівняння миттєво змінює свій стан на 1 (True),
що ініціює програмне переривання. Вихідний сигнал Cmd pump _ run примусово
скидається в 0 , відключаючи контактор насоса, а на панель HMI генерується
відповідне тривожне повідомлення червоного кольору. Насос врятовано від
"сухого ходу".

4.3 Проектування людино-машинного інтерфейсу (HMI) та інтеграція у
SCADA-систему

Сучасна комп'ютерно-інтегрована система керування індивідуальним
тепловим пунктом (ІТП) неможлива без ефективного рівня диспетчеризації. Для
забезпечення візуалізації технологічного процесу, оперативного втручання та
глибокого аналізу енергоспоживання система поділяється на локальний людино-
машинний інтерфейс (HMI) та віддалену систему супервізорного керування і збору
даних (SCADA).
Завданням цього рівня є перетворення "сирих" масивів даних від
програмованого логічного контролера (ПЛК) у зрозумілу графічну та статистичну
інформацію, а також організація довгострокового архівування параметрів для
енергоаудиту будівлі.

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 47

Архітектура інформаційної взаємодії та мережеві протоколи
Для зв'язку між ПЛК (рівень керування), панеллю оператора та сервером
SCADA використовується середовище промислового Ethernet. Відмова від
застарілих послідовних інтерфейсів на користь мереж на базі TCP/IP забезпечує
високу пропускну здатність та можливість безшовної інтеграції ІТП у загальну
систему диспетчеризації будівлі (BMS — Building Management System).
Обмін даними реалізовано за відкритим промисловим протоколом
(наприклад, Modbus TCP або PROFINET). Архітектура будується за принципом
"Клієнт-Сервер", де ПЛК виступає сервером даних, а SCADA-система та локальна
HMI-панель — клієнтами, які періодично опитують регістри пам'яті контролера.

Ергономіка та структура екранів локальної HMI-панелі
Локальна сенсорна панель монтується безпосередньо на фасаді шафи
керування і призначена для сервісного обслуговування. Відповідно до стандартів
розробки інтерфейсів для промисловості (наприклад, ISA-101), графічний
інтерфейс побудовано з урахуванням мінімізації когнітивного навантаження на
оператора. Використовуються приглушені фонові кольори, а яскраві (червоний,
жовтий) застосовуються виключно для індикації аварійних станів.
Структура програмного забезпечення HMI містить наступні базові вікна:
1. Головна мнемосхема (Main P&ID): Відображає гідравлічну схему ІТП,
стани циркуляційних насосів (Grundfos), поточний ступінь відкриття регулюючих
клапанів (Danfoss) у відсотках, а також ключові параметри датчиків (тиск,
температура).
2. Вікно налаштувань (Settings / Tuning): Доступне за паролем інженера.
Дозволяє вводити коефіцієнти ПІД-регулятора ( K p , Ki , Kd ), параметри
еквітермічної кривої ( Kslope , Kshift ) та таймінги нічного зниження температури.
3. Журнал тривог (Alarm History): Табличне подання всіх подій з
позначками часу (Timestamp), станом (Прийшла/Пішла/Квітована) та описом.
Розрахунок інформаційного навантаження комунікаційного каналу
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 48

Для забезпечення безперебійної роботи мережі та виключення затримок
(Latency) під час передачі керуючих команд, необхідно оцінити інформаційне
навантаження на мережу Ethernet під час циклічного опитування ПЛК з боку
SCADA-системи.
Формула (4.9) — Обчислення часу оновлення даних в мережі:

Ntags ⋅ S
T = tag ⋅ (1+ Koverhead )
update (4.9)
Brate

де:
• Tupdate (Update Time) — теоретичний мінімальний час, необхідний для
повного оновлення всіх тегів у системі, с;
• Ntags (Number of Tags) — загальна кількість змінних (тегів), що
опитуються SCADA-системою з ПЛК;
• Stag (Size of Tag) — середній розмір одного тегу, біт (наприклад, 32 біти
для формату Real або DInt);
• Koverhead (Overhead Coefficient) — коефіцієнт накладних витрат
мережевого протоколу (TCP/IP та Modbus TCP містять заголовки, що збільшують
об'єм пакета);
• Brate (Baud Rate / Bandwidth) — пропускна здатність мережевого каналу,
біт/с.
Розрахунковий приклад до формули (4.9):
Оцінимо параметри мережі для нашого ІТП.
Проектована кількість тегів (датчики, стани механізмів, уставки, аварії):
Ntags = 150 .
Середній розмір тегу (беремо з запасом як 32-бітне число): Stag = 32 біт .
Коефіцієнт накладних витрат для протоколу Modbus TCP: Koverhead = 0.4
(накладні витрати складають 40% від корисного навантаження).
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 49

Пропускна здатність стандартної мережі Fast Ethernet: B 6
rate =100 ⋅10 біт / с
(100 Мбіт/с).
T = 150 ⋅32 ⋅ (1+ 0.4)
update
100 ⋅106
T 4800 ⋅1.4
update =
100000000
T 6720
update = = 0.0000672 с = 67.2 мкс
100000000
Висновок: Теоретичний час передачі всіх даних становить менше 0.1
мілісекунди. Це доводить, що пропускної здатності каналу Fast Ethernet (100
Мбіт/с) більш ніж достатньо для задач диспетчеризації ІТП, і в мережі не
виникатиме колізій або затримок графіку погодного регулювання.

Організація реляційної бази даних та розрахунок об'єму архіву
Для проведення енергоаудиту SCADA-система веде безперервний запис
технологічних трендів (Historical Trends) у реляційну базу даних (наприклад,
Microsoft SQL Server або MySQL). Записуються температури, тиск, витрата
теплоносія та потужність приводів. Це дозволяє генерувати звіти за місяць і
доводити економічну ефективність впроваджених алгоритмів.
Для вибору жорсткого диска серверної станції необхідно розрахувати об'єм
даних, що генерується системою за один рік безперервної роботи.
Формула (4.10) — Розрахунок об'єму річного архіву бази даних:

 Tyear 
Varchive = Nlog _ tags ⋅ Srecord ⋅  (4.10)
Tlog _ interval 

де:
• Varchive (Volume of Archive) — необхідний об'єм дискового простору для
зберігання даних за рік, байт;
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 50

• Nlog _ tags (Number of Logged Tags) — кількість параметрів, що
архівуються;
• Srecord (Size of Record) — розмір одного запису в базі даних (включає
позначку часу Timestamp, значення Value та якість сигналу Quality), байт;
• Tyear (Time of Year) — тривалість одного року в секундах;
• Tlog _ interval (Log Interval) — період, з яким SCADA здійснює запис у базу
даних, с.
Розрахунковий приклад до формули (4.10):
Визначимо дисковий простір для архівування ключових параметрів ІТП.
Кількість параметрів, що архівуються для історії: Nlog _ tags = 30 .
Розмір одного стандартного запису в SQL-базі: Srecord =16 байт (8 байт
DateTime + 4 байти Real + 4 байти ID/Quality).
Кількість секунд у році: Tyear = 365 ⋅ 24 ⋅60 ⋅60 = 31 536 000 с .
Інтервал запису в БД: Tlog _ interval = 60 с (архівуємо 1 раз на хвилину).
V = 30 ⋅16 ⋅ 31536000 
archive  60 
 
Varchive = 480 ⋅525600 = 252 288 000 байт
Переведемо у мегабайти (1 МБ = 1048576 байт)
V 252288000
archive _ MB = ≈ 240.6 МБ
1048576
Висновок: Річний архів історичних даних для ІТП займе близько 240 МБ
простору на жорсткому диску серверної станції. Це є мізерним навантаженням для
сучасних систем зберігання даних, що дозволяє зберігати глибоку історію за
десятки років без необхідності стиснення чи видалення старих записів, що є
критично важливим для довгострокового аналізу ефективності енергозберігаючої
системи.

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 51

4.4 Програмна реалізація алгоритмів у середовищі розробки ПЛК

Для перенесення розроблених математичних і логічних моделей у фізичний
контролер (наприклад, Siemens серії Simatic S7-1200) використовується
інтегроване середовище розробки TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal).
Програмне забезпечення ПЛК проектується згідно з міжнародним стандартом IEC
61131-3, що дозволяє комбінувати різні мови програмування залежно від
специфіки задачі.
Розподіл адресного простору та таблиця тегів (I/O Mapping)
Фундаментом будь-якої програми для ПЛК є правильний розподіл фізичної
пам'яті для модулів вводу/виводу. У середовищі розробки створюється глобальна
таблиця тегів (PLC Tags), яка пов'язує фізичні клеми контролера з символьними
іменами, що використовуються в коді.
Для нашого ІТП сформовано наступну базову карту пам'яті:
Таблиця 4.1 – Таблиця глобальних змінних вводу/виводу (PLC Tags)
Символьне ім'я Тип даних Фізична Опис сигналу (Comment)
(Tag Name) (Data адреса
Type) (Address)
DI_Pump1_Alarm Bool %I0.0 Дискретний вхід: Аварія
ЧРП насоса опалення (від
автомата захисту)
DI_Flow_Switch Bool %I0.1 Дискретний вхід: Реле
протоку (захист від сухого
ходу)
AI_Temp_Out Int %IW64 Аналоговий вхід:
Температура на вулиці (4-20
мА)

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 52

Продовження таблиці 4.1
AI_Temp_Fact Int %IW66 Аналоговий вхід: Температура теплоносія
подачі (4-20 мА)
AI_Press_Sys Int %IW68 Аналоговий вхід: Тиск у системі опалення (4-
20 мА)
DQ_Pump1_Run Bool %Q0.0 Дискретний вихід: Команда пуску насоса
опалення (на проміжне реле)
AQ_Valve_Heat Int %QW80 Аналоговий вихід: Керування клапаном
Danfoss (0-10 В)
AQ_Pump_Freq Int %QW82 Аналоговий вихід: Завдання частоти на ЧРП
Grundfos (0-10 В)
Завдяки такій адресації програміст абстрагується від апаратних адрес і
оперує в коді виключно логічними іменами (наприклад, AI_Temp_Out).

Вибір мов програмування для різних функціональних блоків
Відповідно до архітектури програми (описаної у п. 4.2.2), різні задачі
реалізуються найбільш оптимальними для них мовами стандарту IEC 61131-3:
1. FBD (Function Block Diagram) / LAD (Ladder Diagram):
Використовуються для програмування логіки блокувань та захистів (наприклад,
алгоритм захисту від "сухого ходу"). Ці мови ідеально підходять для булевої
алгебри, оскільки графічне представлення контактів та котушок дозволяє
сервісному персоналу легко діагностувати причини зупинки обладнання в режимі
On-line.
2. SCL (Structured Control Language): Текстова мова високого рівня
(подібна до Pascal). Вона використовується для реалізації складних математичних
обчислень, таких як лінійне масштабування аналогових сигналів та розрахунок
еквітермічної кривої. Використання LAD для складних формул з плаваючою
комою (Real) є неефективним і значно ускладнює читабельність коду.

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 53

Лістинг програмної реалізації еквітермічної кривої (SCL)
Для розрахунку цільової уставки температури (Формула 4.1) створено
функціональний блок FB_HeatingCurve. На вхід блоку передаються
відмасштабовані значення температури з вулиці та базові налаштування комфорту.
Лістинг (рисунок 4.1) Код розрахунку уставки на мові SCL (Siemens TIA
Portal):

Рисунок 4.1 –Код розрахунку уставки на мові SCL

Оптимізація виклику ПІД-регулятора
Згенерована в Лістингу 4.1 змінна #T_set передається як параметр Setpoint
(SP) на вхід стандартного технологічного об'єкта ПІД-регулятора (наприклад,
PID_Compact у TIA Portal).
Важливим аспектом програмування систем опалення є обробка інтегральної
складової. Оскільки теплові процеси є надзвичайно інерційними (час розгону
об'єкта може сягати десятків хвилин), коефіцієнт інтегрування Ki встановлюється
на дуже низькому рівні. Для запобігання неконтрольованому зростанню
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 54

інтегральної суми під час старту системи, у налаштуваннях програмного блоку
PID_Compact активується функція Anti-Windup.
Ця функція програмно заморожує накопичення інтегральної похибки у
момент, коли вихідний сигнал керування досягає своїх фізичних лімітів (0% або
100%). Це гарантує, що при досягненні уставки клапан Danfoss почне закриватися
своєчасно, унеможливлюючи "перетоп" та надмірне споживання теплової енергії.
Останочний алгоритм роботи представлений на рисунку 4.2

Рисунок 4.2 – Алгоритм роботи

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 55

5. Спеціальна частина

5.1 Технологічні особливості виготовлення та складання інтерфейсного
модуля гальванічної розв'язки

У межах розробки апаратного забезпечення комп’ютерно-інтегрованої
системи керування ІТП ключовим етапом є виготовлення та складання
нестандартного вузла — інтерфейсного модуля нормувальних перетворювачів та
оптичної ізоляції. Цей електронний блок є критично важливою сполучною ланкою
між польовими пристроями (датчиками, виконавчими механізмами) та
програмованим логічним контролером Omron, забезпечуючи надійний захист
портів мікропроцесорної техніки від індустріальних завад, коротких замикань та
перенапруг.
Технологічний процес створення модуля розпочинається з етапу
автоматизованого проектування. У середовищі Altium Designer 15 розробляються
топологічні посадочні місця для специфічних компонентів, створюється
електрична принципова схема та виконується безпосереднє трасування друкованої
плати. Розведення сигнальних та силових ліній здійснюється з суворим
урахуванням правил електромагнітної сумісності (ЕМС): полігони аналогової та
цифрової «землі» (GND) фізично розділяються для усунення перехресних завад, а
ширина струмоведучих доріжок для силових реле розраховується відповідно до
максимальних струмів навантаження котушок контакторів. Після завершення
трасування генерується пакет виробничих файлів у форматі Gerber, а
конструкторська документація (складальні креслення, схеми електричні
принципові та переліки елементів) формується та оформлюється відповідно до
чинних стандартів ЄСКД.
Основою для фізичного монтажу слугує двостороння друкована плата,
виготовлена з фольгованого склотекстоліту марки FR-4, що забезпечує високу
діелектричну міцність та жорсткість конструкції. Процес складання модуля є
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 56

комбінованим і включає технології поверхневого (SMD) та вивідного (THT)
монтажу. На першому етапі на плату наноситься паяльна паста та встановлюються
планарні компоненти: прецизійні шунтуючі резистори для перетворення струмових
петель 4-20 мА у напругу, керамічні фільтруючі конденсатори та захисні TVS-
діоди. Пайка цих елементів відбувається методом оплавлення у конвекційній печі
з дотриманням визначеного термопрофілю.
Наступним кроком монтуються вивідні компоненти, які вимагають вищої
механічної міцності кріплення або мають значні габарити. До них належать
мікросхеми оптопар (PC817) для гальванічної розв'язки дискретних сигналів аварії,
електромагнітні реле, а також гвинтові клемні колодки для надійного підключення
зовнішніх кабельних ліній зв'язку. Пайка вивідних компонентів здійснюється
трубчастим припоєм із застосуванням безвідмивного флюсу. Використання
флюсів, що не потребують відмивання (No-Clean), є принциповим технологічним
рішенням, оскільки це запобігає виникненню паразитних струмів витоку на
поверхні діелектрика, що критично для точності роботи аналого-цифрових
перетворювачів.
Завершальним етапом виготовлення вузла є технічний контроль та стендове
тестування зібраної друкованої плати. За допомогою мегаомметра перевіряється
опір ізоляції між високовольтною (керування клапанами, насосами) та
низьковольтною (входи контролера) частинами плати для гарантування відсутності
електричних пробоїв. Працездатність нормувальних підсилювачів перевіряється
шляхом подачі еталонного струму 4-20 мА на вхідні клеми датчиків та
інструментального контролю вихідної напруги, яка згодом подаватиметься на
модулі аналогового вводу ПЛК. Після успішних функціональних випробувань
готова друкована плата покривається шаром електроізоляційного акрилового або
уретанового лаку для захисту мідних провідників і місць пайки від впливу вологи
та пилу. Після повної полімеризації захисного покриття зібраний вузол монтується
на стандартну DIN-рейку всередині головної шафи автоматики теплового пункту,
стаючи повністю готовим до інтеграції в загальну систему керування.

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 57

5.2 Соціально-економічні та етико-екологічні аспекти прийняття
технічних рішень
Розробка автоматизованої системи керування енергоспоживанням
індивідуального теплового пункту (ІТП) є стратегічним кроком, який демонструє
відповідальне ставлення до ресурсів та прагнення до впровадження інновацій у
сфері житлово-комунального господарства.
Соціальна значущість проєкту полягає насамперед у забезпеченні якісно
нового рівня комфорту та безпеки для людей, які перебувають в адміністративній
будівлі. Автоматизація дозволяє виключити людський фактор при регулюванні
параметрів теплоносія, що запобігає виникненню небезпечних ситуацій, таких як
локальні перегріви або переохолодження приміщень. Стабільний мікроклімат,
досягнутий завдяки еквітермічному регулюванню, безпосередньо впливає на
працездатність персоналу, знижує втомлюваність та мінімізує ризики простудних
захворювань, пов'язаних із різкими змінами температури. Крім того, автоматизація
підвищує рівень безпеки самого інженерного обладнання: системи захисту від
сухого ходу насосів, контролю тиску та аварійної сигналізації гарантують
цілісність будівельних конструкцій та запобігають масштабним затопленням, що
має велике значення для збереження майна та здоров'я користувачів будівлі.
З економічної точки зору, впровадження такої системи є високоефективним
інвестиційним рішенням, яке забезпечує швидке повернення капіталовкладень.
Основний економічний ефект досягається за рахунок різкого скорочення
невиправданого споживання енергоресурсів, що особливо актуально в умовах
постійного зростання тарифів на теплову енергію. Система, що здатна
адаптуватися до реальних погодних умов та режиму експлуатації будівлі,
унеможливлює енергозатратні "перетопи", які спостерігаються при використанні
застарілих систем керування. Плавне регулювання насосного обладнання за
допомогою частотних перетворювачів не тільки зменшує рахунки за
електроенергію, а й значно подовжує ресурс експлуатації насосів Grundfos та
клапанів Danfoss, запобігаючи передчасному зносу через гідравлічні удари та зайві
пускові струми. Це зменшує витрати на технічне обслуговування, ремонти та
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 58

заміну дорогого обладнання. Можливість дистанційного моніторингу за
допомогою SCADA-систем дозволяє диспетчерам оперативно реагувати на
найменші відхилення, що скорочує час простою системи та мінімізує збитки від
аварій. В результаті, адміністративна будівля з такою системою стає значно
привабливішою з погляду управління нерухомістю, що підвищує її ринкову
вартість.
Етичний та екологічний аспект прийнятих технічних рішень відображає
сучасний тренд на сталий розвиток (sustainable development) та відповідальне
споживання. Екологічна цінність проєкту полягає у безпосередньому зниженні
викидів парникових газів, оскільки кожна зекономлена гігакалорія тепла означає
менший обсяг спаленого палива на теплоелектроцентралях або котельнях.
Зменшення енергоспоживання будівлею є особистим внеском інженерів та
власників об'єкта в глобальну боротьбу зі змінами клімату та декарбонізацію
економіки. Окрім того, етичний аспект проєкту проявляється у виборі обладнання:
відмова від неякісних, енергоємних та екологічно небезпечних компонентів на
користь сертифікованих, високоефективних рішень є виявом професійної
інженерної етики. Коли ми проєктуємо систему так, щоб вона мінімально впливала
на довкілля при максимально ефективній роботі, ми реалізуємо принцип
раціонального природокористування. Таким чином, розроблена система керування
ІТП не лише вирішує локальну технічну задачу, а й сприяє формуванню культури
енергозбереження, перетворюючи адміністративну будівлю на енергоефективний
об'єкт, що відповідає сучасним міжнародним стандартам сталого функціонування
міської інфраструктури.

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 59

5.3 Охорона праці

Аналіз шкідливих та небезпечних факторів, що виникають в
приміщенні проектно-технічного відділу
В даному розділі роботи розглядаються можливі шкідливі фактори, які
можуть впливати на працівника, що працює у проектно-технічному відділі при
розробці комп’ютерно-інтегрованої системи керування.
Для виконання поставлених задач опрацьовується значна кількість
теоретичного матеріалу, що звичайно, викликає потребу у використанні
персонального комп’ютера. Тому потрібно забезпечити безпечну та продуктивну
організацію праці працівника, що працює з комп’ютерною технікою у відділу.
Для того щоб запобігти негативному впливу на працівника потрібно звернути
особливу увагу на фактори виробничого середовища, які безпосередньо впливають
на дослідника.
При виконанні досліджень персональний комп’ютер (ПК) використовується
для проведення розрахунків та формування відповідної документації. За ПК
працівник проводить не більше 4 годин на день з перервою не менше 1 години.
Виконання багатьох операцій в відділу призводить до тривалої статичної
напруженості м'язів спини, шиї, рук і ніг, що приводить до швидкого розвитку
стомлення. Основними причинами такого стомлення є: нераціональна висота
робочої поверхні столу і сидіння, відсутність опорної спинки і підлокітників,
незручні кути згинання в плечовому і ліктьовому суглобах, кут нахилу голови,
незручне розміщення документів, монітора, клавіатури, неправильний кут нахилу
екрана, відсутність простору і підставки для ніг.
За рівнем фізичних навантажень робота за комп’ютером класифікується як
легка фізична робота (категорія І) – робота з витратою 120 – 150 ккал/год –
категорія І а.
У відділу розташовано п’ять робочих місць обладнаних комп’ютерною
технікою. Для забезпечення комфортної роботи персоналу столи мають довжину
140 см і ширину 70 см, що задовольняє санітарним нормам. Стільці, що змінюються
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 60

за висотою, з напівм'яким сидінням, дозволяють здійснювати поворот сидіння і
спинки стільця в межах 360°. Висота сидіння регулюється в межах 42-55 см.
Фактична відстань очей до монітора дорівнює 0,6-0,7 м. Отже, робоче місце
відповідає ДСТУ 8604:2015.
Розміри відділу становлять: довжина 8 м, ширина 5 м, висота від підлоги до
стелі 3,2 м, загальна площа аудиторії 40 м2, площа яка припадає на одну людину
становить 8 м2. Об’єм приміщення складає: 128 м3, об’єм, який припадає на одну
людину становить 25,6 м3. Розміри приміщення за площею та об’ємом відповідають
вимогам ДБН В.2.2-28-2010 «Будинки адміністративного та побутового
призначення».
Велике значення має система освітлення відділу. Під час роботи дослідник
працює з даними, які виводяться програмним забезпеченням на екран монітору.
Найменша розрізненість об’єкту (в даному випадку об’єктом розрізнення і фоном
є: текст на моніторі та власне фон монітора, текст на аркуші паперу та аркуш, букви
на клавіатурі і клавіатура) складає від 0,15 до 0,3 мм, це відповідає високій
точності зорової праці. Розряд зорової праці – ІІ, підрозряд – Г. Контраст
відмінності об’єкту з фоном - великий.
При роботі з комп’ютером використовувалося приміщення з однобічним
природним освітленням. Розмір вікна приміщення становить 2×1,5 м. Робочі столи
розміщені так, що природне світло потрапляє в приміщення спереду. Вікно
завішене шторами, які запобігають виникненню відблисків, затемнених плям на
моніторах при попаданні прямого світла. Згідно з нормами освітлення ДБН
В.2.5.28–2018 «Природне і штучне освітлення» коефіцієнт природного
освітлення (КПО) для даного типу зорової праці дорівнює 1,5%. Робоче місце
розташоване на відстані 0,5 м від вікна і в цій точці значення КПО становить
36-38 %. Отже, рівень природного освітлення є достатнім.
Штучне освітлення створюється світильниками з люмінесцентними
лампами. Освітлювальні установки забезпечують рівномірне освітлення по всій
робочій зоні, відсутність глибокої і різкої тіні, постійність освітлення в часі.
Джерела світла по відношенню до робочих місць слідує розмістити таким чином,
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 61

щоб уникнути попадання в очі прямих світлових потоків. Фактичне значення
штучного загального освітлення складає 360 лк, а нормативне значення – 300 лк.
Отже, рівень штучного освітлення відповідає нормативним значенням згідно ДБН
В.2.5.28-2018 «Природне і штучне освітлення».
Істотне значення мають параметри мікроклімату в приміщенні, оскільки
безпосередньо впливають на роботу та здоров’я працівника. Фактичні значення
основних параметрів мікроклімату наступні:
1) Температура повітря:
- в теплий період року 22-24 ˚С;
- в холодний період року 15-18 ˚С;
2) Вологість повітря:
- в теплий період року 45-60 %;
- в холодний період року 40-50 %;
3) Швидкість руху:
- в теплий період року – 0,1-0,2 м/с;
- в холодний період року – 0,1-0,15 м/с.
Згідно ДСН 3.3.6.042–99 «Санітарні норми мікроклімату виробничих
приміщень» нормативні значення основних факторів мікроклімату наступні:
1) Температура повітря:
- в теплий період року 22-28 ˚С допустима (оптимальна 23-25 ˚С);
- в холодний період року 21-25 ˚С допустима (оптимальна 22-24 ˚С);
2) Вологість повітря:
- в теплий період року 40-60 %;
- в холодний період року 40-60 %;
3) Швидкість руху:
- в теплий період року – 0,1 м/с (допустима – 0,1-0,2 м/с);
- в холодний період року – 0,1 м/с (допустима – менше 0,1 м/с).
З вище наведених даних мікроклімату видно, що лише показники
температури в холодний період року не задовольняють норму згідно ДСН
3.3.6.042–99.
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 62

Також важливе значення має параметр шуму. Персональні комп’ютери
створюють на робочих місцях працюючих шум, рівень якого досягає 35 дБА. Згідно
ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та
інфразвуку» цей рівень повністю відповідає нормативному рівню, який становить
50 дБА. Тому, фактичне значення шуму не перевищує допустиме, а отже негативно
не впливає на працівника.
Основними джерелами електромагнітного поля на робочих місцях є монітори
комп’ютерів, а також системні блоки. Найбільше впливає електромагнітне поле на
органи зі слабкою терморегуляцією, що мають недостатню кількість кровоносних
судин або слабкий кровообіг. До таких органів відносяться: головний мозок, око
(кришталик), шлунок, сечовий міхур і т.п. Функціональні зміни виявляються в
передчасній стомленості, млявості, головному болі. При систематичному
опроміненні спостерігається зміна кров'яного тиску (гіпертонія, гіпотонія),
уповільнення пульсу, трофічні явища (випадіння волосся, ламкість нігтів, лущення
шкірного покриву). Величина напруженості, що живить комп’ютерне обладнання
230 В, і споживана потужність менше ніж 3000 Вт, що не перевищує нормативне
значення, визначене в ДСН 198 «Державні санітарні норми і правила при виконанні
робіт в невимкнених електроустановках напругою до 750 кВ включно» та ДСН 239-
96 «Державні санітарні норми і правила захисту населення від впливу
електромагнітних випромінювань».
Електропроводка в даному приміщенні прихованого типу, що забезпечує
захист працюючих у відділу від доторкання до оголених проводів. Обладнання
встановлене в приміщенні живиться напругою 220 В і споживає потужність 2,5 кВт.
Деяке обладнання, зокрема персональний комп’ютер, має металевий корпус, тому
згідно з ДСТУ Б В.2.5-82:2016 «Захисні заходи електробезпеки в
електроустановках будинків і споруд» у відділу передбачена система захисного
занулення.
Інструктаж з техніки електробезпеки складений згідно «Програми навчання
безпеки праці робітників, до професій яких пред'являються підвищені вимоги з
техніки безпеки». Вступний інструктаж проводиться з усіма працівниками, які
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 63

щойно прийняті на роботу (постійну або тимчасову) незалежно від їх освіти, стажу
роботи за цією професією або посади. Первинний інструктаж проводиться на
робочому місці до початку роботи на робочому місці. Інструктаж проводить
інженер по техніці безпеки, відповідно до НАОП 0.00-4.12-05 «Типове положення
про навчання з питань охорони праці».
Відділ за вибухопожежонебезпекою відноситься до приміщень типу В,
згідно з ДСТУ Б В.1.1-36:2016. В даному відділу забезпечуються необхідні заходи
щодо протидії виникнення пожежно-небезпечних ситуацій згідно з НАПБ
А.01.001-2014 «Правила пожежної безпеки в Україні»:
- будівельні конструкції необхідного ступеня вогнестійкості. Стіни
виготовлені з цегли, оштукатурені та пофарбовані водоемульсійною фарбою. Стеля
виготовлена методом перекриття приміщення залізобетонними плитами, а підлога
з кахельної плитки. Всі матеріали застосовані для будівництва та оздоблення
відділу пройшли перевірку і були дозволенні органами державного санітарно-
епідеміологічного нагляду;
- приміщення обладнане порошковим вогнегасником ВП-5, який
знаходиться на стіні біля дверей з вільним доступом до нього, відповідно до Правил
експлуатації вогнегасників;
- план евакуації розміщений на стіні з вільним доступом до неї. Для
попередження пожежі у відділу використовується електрична пожежна
сигналізація POLON 4000 та теплові датчики типу (ИПД-1) у кількості 4 шт.
Інструкції на випадок пожежі складенні відповідно до НАПБ А.01.001-2014
«Правила пожежної безпеки в Україні».
Після проведення аналізу відділу та умов праці за робочим місцем можна
зробити висновок, що всі фактори роботи в даному приміщенні являються
сприятливими окрім системи опалення. Тому пропонується замінити систему
опалення, щоб параметри мікроклімату відділу відповідали нормам ДСН 3.3.6.042–
99.

Модернізація системи водяного опалення відділу
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 64

Основний поділ опалювального обладнання ґрунтується на способах
передавання тепла нагрівальними приладами до опалюваних приміщень.
Опалювання поділяється на опалювання випромінюванням та конвекційне.
Цей поділ виникає з пропорції потоку тепла, яке віддається через нагрівальні
прилади до приміщення.
Типовими випромінюючими нагрівачами є:
- випромінювачі;
- випромінюючі смуги;
- площинні нагрівальні системи (стельові, стінні та підлогові).
Конвекційними нагрівачами є:
- нагрівальні прилади з чавунних та сталевих ланок,
- конвектори.
Повітряне обігрівання, в тому числі вентиляторні конвектори, є майже 100-
відсотковим конвекційним обігріванням.
Питання, який вид обігрівання приміщень є корисніший - випромінюванням
чи конвекцією, — постійно сприяє новим технологічним розв’язкам. Зокрема, це
стосується встановлення продуктивності (к.к.д.) енергетичного випромінювання
тепла визначеного типу нагрівального приладу або радіусу теплової дії
нагрівального приладу.
Ці два види постачання тепла дають різні результати, які практично можуть
викликати приємні відчуття або тепловий дискомфорт.
Наприклад, відчуття людиною втрати тепла внаслідок випромінювання в
напрямку холодних площин (з поверхні пічки) не може компенсуватися за рахунок
більш інтенсивного поглинання випромінювання інших частин тіла.
У такому випадку міняємо позицію нашого тіла відносно джерела тепла. Крім
того, інтенсивний рух повітря (навіть досить нагрітого по відношенню до
температури в приміщенні) при тепловому відчутті можна відбирати як
неприємний охолоджуючий потік.
Якщо в опалюваному приміщенні є умови для доброго самопочуття, то
температура повітря значно не відхиляється від середньої (можливо рівномірної)
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 65

температури повітря оточуючих поверхонь, а температура нагрівальних поверхонь
не надто перевищує температуру тіла людини.
Тому частіше надають перевагу площинному, низькотемпературному
опаленню.
Підвищення температури нагрівального приладу, тобто концентрація
джерела тепла в приміщенні, приводить до інтенсифікації та зонування
випромінювання тепла, збільшуючи або інтенсивність теплового випромінювання,
або швидкість руху повітря в приміщенні. Очевидно, що при встановленні
температури нагрівальних приладів не можна перебільшувати, бо навіть
температура поверхні нагрівальних приладів порядку 80-90 °С, крім погіршення
умов доброго самопочуття, не є безпечною для здоров’я.
Обмеження температури поверхні нагрівальних приладів викликане тим, що
при температурах вищих від 60 °С розпочинаються процеси сухої дистиляції
органічних рідин та припікання їх на поверхні нагрівального приладу. Продукти
цих процесів подразнюють слизові оболонки верхніх дихальних шляхів,
викликаючи відчуття сухості, особливо неприємні при заниженій відносній
вологості повітря в приміщенні під час морозів.
В даний час використовуються декілька типів радіаторів: алюмінієві,
біметалічні, чавунні, сталеві конвектора.
Радіатори водяного опалення діляться на дві групи:
− секційні-чавунні, алюмінієві, біметалічні (з алюмінію і сталі);
− панельні-сталеві.
Чавунні секційні радіатори стійкі до корозії, володіють великою тепловою
потужністю на одиницю довжини приладу і можуть застосовуватися в системах
опалення з низькою якістю теплоносія.
Альтернативою чавуну є алюміній, з якого виробляються більш ефектні на
вигляд і менш металомісткі алюмінієві або біметалічні (сталь + алюміній)
радіатори. Гідність цих опалювальних приладів в тому, що вони прогрівають
приміщення швидше, ніж чавунні радіатори, і добре керуються термостатичним
вентилями.
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 66

Біметалічні радіатори зовні схожі на алюмінієві, але завдяки застосуванню
сталевих труб, всередині кожної секції, витримують внутрішній тиск до 25 атм. і
вище. Потужність кожної секції (при висоті 500 мм) 160 Вт. Застосовуються, як
правило, для облаштування міських квартир.
Сталеві панельні радіатори середні за теплопровідністю між чавунними і
алюмінієвими радіаторами. Панельні радіатори виконуються з штампованих,
стійких до корозії сталевих листів, утворюють ряд вертикальних паралельних
каналів, які об'єднуються горизонтальним колектором. Радіатори виконуються
однорядні, дворядними, трьохрядний, з ребрами і без нього. При цьому кожен
радіатор покритий багатошарової термостійкою емаллю.
Обчислення тепловитрат в приміщенні:
Q = S∙T/R, (5.1)
де Q - тепловтрати через перешкоду, Вт
S - площа перешкоди, м2
Т - різниця температур між внутрішнім та зовнішнім повітрям, 50°С
R - значення теплоопору перешкоди, м2·°С/Вт
Розраховуємо тепловтрати через стіни:
Тепловтрати через зовнішню стіну
R = 0,712 - опір теплопередачі стіни завтовшки в 2 цеглини (50 см)
S 2
стіни = 8 ⋅3,2 −1,3 ⋅ 2 ⋅ 4 = 15,2м
Q = 15,2 ⋅ 50
1 = 1067 ,4
0,712 Вт
Тепловтрати через вікна:
R = 0,37 - опір теплопередачі звичайного вікна з подвійною рамою
S 2
вікна = 1,3 ⋅ 2 = 2,6м
Q = 2,6 ⋅ 4 ⋅ 50
2 = 1405
0,37 Вт
З урахувань втрат на вентиляцію (25%):
Q = (1067,4 + 1405) ⋅1.25 = 3090,5 Вт
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 67

Для підтримання оптимальної температури повітря в приміщенні в холодну
пору року потрібна система опалення потужністю не менше 3090,5 Вт. Згідно
отриманих даних обираємо чотири сталевих односекційних радіатори PANSA
500х1000 (рис.5.1), загальною потужністю 3732 Вт.

Рисунок 5.1 - Зовнішній вигляд радіатора системи опалення
PANSA 500х1000.

Таблиця 5.1 - Технічні характеристики радіатора системи опалення
Матеріал Сталь
Кількість
1
секцій
Висота, мм 500
Ширина, мм 1000
Тиск робочий,
10
бар
Вага, кг 14
Клас 22
Бічний
Монтаж
верхній
Потужність,
933
Вт
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 68

Таблиця 5.2 - Порівняльні характеристики основних типів радиаторів
Радіатори Тепловіддач Робочи Опресувальни
а, Вт й тиск,атм й
тиск, атм
Сталеві 180-735
панельні (залежно від 6-8,5 13
кількості панелей)
Сталеві 20-700
трубчасті (залежно від 8-10 13-15
габаритів)
Чавунні 80-160
(одна секція) 10-12 15-18
Алюмінієв 125-280
і (залежно від До 16 24
міжосевої відстані)
Біметалеві 130-200
радиатори (залежно від До 35 52,5
(алюміній/сталь) міжосевої відстані)

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 69

Висновки

Робота присвячена розв'язанню актуальної задачі підвищення
енергоефективності будівель шляхом проєктування енергозберігаючої
комп'ютерно-інтегрованої системи керування (КІСУ) індивідуальним тепловим
пунктом (ІТП). На основі критичного аналізу комерційних систем, науково-
технічної літератури та патентної бази автор довів перевагу використання
відкритих систем на базі універсальних промислових логічних контролерів (ПЛК)
над закритими вузькоспеціалізованими рішеннями. Це забезпечує гнучкість
налаштувань, незалежність від конкретного виробника та економічну доцільність
для модернізації адміністративних будівель.
У процесі виконання дослідження спроєктовано трирівневу архітектуру
системи, яка охоплює польовий, контролерний та диспетчерський рівні. Ця
архітектура базується на використанні сучасних вимірювальних перетворювачів,
частотно-регульованих приводів для насосів Grundfos та електромоторних
приводів для клапанів Danfoss. Крім того, в рамках спеціальної частини успішно
розроблено та описано технологію виготовлення інтерфейсного модуля
гальванічної розв'язки у середовищі Altium Designer.
Вагомим здобутком є розробка математичної моделі опалювальної кривої та
енергозберігаючого алгоритму нічного зниження температури, який здатен
забезпечити до 20% економії теплової енергії в неробочий час. Для керування
системою запрограмовано ПІД-регулятор у дискретній формі із захистом від
інтегрального насичення, а також реалізовано логіко-математичну модель
аварійного захисту насосного обладнання від роботи в режимі «сухого ходу». Для
ефективного контролю та візуалізації технологічного процесу створено структуру
людино-машинного інтерфейсу на локальній панелі та обґрунтовано інтеграцію
системи в загальнобудинкову SCADA/BMS систему за допомогою протоколів
промислового Ethernet. Виконані розрахунки підтвердили, що пропускної здатності
мережі та об'єму жорсткого диска повністю достатньо для безперебійного збору
даних та ведення довгострокового архіву.
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 70

З точки зору економічного та екологічного впливу доведено, що
впровадження розробленої системи дозволить знизити споживання теплової енергії
на 15–25% та електричної енергії на 30%, що напряму зменшує викиди парникових
газів і відповідає глобальним принципам сталого розвитку. Також у розділі
охорони праці проведено ґрунтовний аналіз умов роботи в проектно-технічному
відділі. Через виявлену невідповідність температурного режиму в холодну пору
року санітарним нормам, було виконано теплотехнічний розрахунок і підбір нових
сталевих радіаторів для забезпечення належного мікроклімату.
Спроєктована система відповідає сучасним європейським директивам
енергоефективності і є цілком готовою до фізичної реалізації на об'єкті.

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 71

Список використаної літератури

1. ДСТУ 9190:2022. Енергетична ефективність будівель. Метод
розрахунку енергоспоживання під час опалення, охолодження, вентиляції,
освітлення та гарячого водопостачання. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2022. 182 с.
2. Bacher P., Madsen H. Predictive control of district heating systems using
weather forecasts. Energy. 2022. Vol. 238. Art. 121703.
3. Boiarchuk A., Kovalenko O., Sydorenko V. Improving the Reliability of an
Individual Heating Point Due to the Introduction of a Frequency-Controlled Electric
Drive. 2022 IEEE 4th International Conference on Modern Electrical and Energy
Systems (MEES). Kremenchuk, Ukraine, 2022. P. 1–5.
4. Bolton W. Programmable Logic Controllers. 7th ed. London : Newnes, 2021.
420 p.
5. Deshko V., Buyak N., Bilous I., Shevchenko O. Modeling of heat supply
systems for residential buildings with individual heating substations. Energy
Engineering. 2021. Vol. 118, № 2. P. 253–268.
6. Directive (EU) 2024/1275 of the European Parliament and of the Council of
24 April 2024 on the energy performance of buildings (recast). Official Journal of the
European Union. 2024. Vol. L. P. 1–105.
7. Dulf E. H. Advanced Fractional-Order PID Control Strategies for Thermal
Processes. Sensors. 2022. Vol. 22, № 14. Art. 5240.
8. EN ISO 52120-1:2022. Energy performance of buildings — Contribution of
building automation, controls and building management — Part 1: General framework
and procedures. Brussels : CEN, 2022. 86 p.
9. Hrytsai O., Zaitsev M. Computer-integrated control systems for energy
saving in building heating. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2022.
Vol. 4, № 8(118). P. 15–22.
10. Johansson M., Ali A. SCADA-Based Simulation of Heating and Cooling
Monitoring and Control system in the HelioS Energy Hub. Västerås : Mälardalen
University, 2025. 64 p.
Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 72

11. Kozub A., Shramenko O., Vasylyeva O. Integration of IoT sensors and PLCs
in smart heating control systems. Advanced Information Systems. 2024. Vol. 8, № 1. P.
55–62.
12. Kravchenko O., Boyko O., Mykhailenko S. Modernization of electrical
complex for producing thermal energy for an industrial enterprise. Технічна
електродинаміка. 2021. № 4. С. 65–71.
13. Li H., Wang Y. A Review of Optimization Methods for Temperature
Uniformity of Transverse Flux Induction Heating. 2023 IEEE 6th International
Conference on Electronic Information and Communication Technology (ICEICT).
Qingdao, 2023. P. 450–454.
14. Pysmennyi A., Zhukova O. Simulation of Building Thermal Dynamics
Using MATLAB/Simulink for Advanced Control Strategy Development. Journal of
Engineering Sciences. 2023. Vol. 10, № 2. P. E1–E8.
15. Shevchenko V., Petrenko O. Heating Station Automated Control System
Based on a Small-Scale Model of a Laboratory Stand. 2023 IEEE 4th KhPI Week on
Advanced Technology. Kharkiv, Ukraine, 2023. P. 1–5.
16. Smith R. A Literature Review of Domestic and European Policy, Current
Strategy and Opportunities Surrounding Building Decarbonisation. London : Imperial
College London, 2023. 45 p.
17. Tomar B., Singh S., Kumar P. PLC and SCADA based temperature control
of heat exchanger system through fractional order PID controller using metaheuristic
optimization techniques. Heat and Mass Transfer. 2024. Vol. 60, № 9. P. 1–18.
18. Vandersickel A. Digitalization of district heating systems: A review of
control, operation and maintenance. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2023.
Vol. 175. Art. 113175.

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 73
Ïîçíà÷åííÿ Íàéìåíóâàííÿ Ïðèì³òêà
1 Äîêóìåíòàö³ÿ çàãàëüíà
2
3 çàíîâî ðîçðîáëåíà
4
5 2À1 ÐÑÀÑÊ23.23196.026.001 Ý1 Ñõåìà åëåêòðè÷íà ñòðóêòóðíà 1
6 À1 ÐÑÀÑÊ23.23196.026.001 Ý3 Ñõåìà åëåêòðè÷íà ïðèíöèïîâà 1
7 À4 ÐÑÀ23.23196.026.001ÏÇ Ïîÿñíþâàëüíà çàïèñêà
8 1
9
10 Äîêóìåíòàö³ÿ ³íøà
11
12 çàíîâî ðîçðîáëåíà
13
14
15 À1 ÐÑÀÑÊ23.23196.026.001 ÄÌ Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë 1
16
17 À1 ÐÑÀÑÊ23.23196.026.001 ÄÌ1 Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë 1
18
19 À1 ÐÑÀÑÊ23.23196.026.001 Ý3 Ì³êðîêîíòðîëåð 1
20 Ñõåìà åëåêòðè÷íà ïðèíöèïîâà
21
22
23
24
22
23
24
25
26
27

ÐÑÀñê23.23196.026.001 ÒÏ
Çì. Àðêóø ¹ äîêóì. Ï³äï. Äàòà
Ðîçðîá. Íåñòåðåíêî Ä.Â...
Ãàëü÷åíêî Â.ß Åíåðãîçáåð³ãàþ÷à êîìï'þòåðíî-³íòåãðîâàíà Ë³ò. Àðêóø Àðêóø³â
Ïåðåâ. Ò 1
ñèñòåìà êåðóâàííÿ ³íäèâ³äóàëüíèì

Í.Êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. òåïëîâèì ïóíêòîì ×ÄÒÓ
Çàòâ. Â³äîì³ñòü òåõí³÷íîãî ïðîºêòó

¹ ñòðîêè
Ôîðìàò
Ê³ë. ëèñò³â
¹ åêç.

Розрахунок на ЕОМ

Арк.
РСА23ск3. 23196.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 74
ÐÑÀñê23.23196.026.001 Å4
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Åíåðãîçáåð³ãàþ÷à êîìï'þòåðíî-³íòåãðîâàíà
Ðîçðîá. Íåñòåðåíêî Ä.Â. ñèñòåìà êåðóâàííÿ ³íäèâ³äóàëüíèì òåïëîâèì ïóíêòîì 1:1
Ïåðåâ. Ãàëü÷åíêî Â.ß.
Ò.êîíòð. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Cõåìà åëåêòðè÷íèõ ç'ºäíàíü Àðê. Àðêóø³â 1
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑÀñê23.23196.026.001 Å4
ÐÑÀñê23.23196.026.001 Ý1
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Åíåðãîçáåð³ãàþ÷à êîìï'þòåðíî-³íòåãðîâàíà
Ðîçðîá. Íåñòåðåíêî Ä.Â. ñèñòåìà êåðóâàííÿ ³íäèâ³äóàëüíèì òåïëîâèì ïóíêòîì Ò 1:1
Ïåðåâ. Ãàëü÷åíêî Â.ß.
Ò.êîíòð. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Ñõåìà åëåêòðè÷íà ñòðóêòóðíà Àðê. Àðêóø³â 1
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑÀñê23.23196.026.001 Ý1
ÐÑÀñê23.23196.026.001 Å3
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Ì³êðîêîíòðîëåð
Ðîçðîá. Íåñòåðåíêî Ä.Â. 1:1
Ïåðåâ. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Ñõåìà åëåêòðè÷íà ïðèíöèïîâà
Ò.êîíòð. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Àðê. Àðêóø³â 1
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑÀñê23.23196.026.001 Å3
ÐÑÀñê23.23196.026.001 ÄÌ 2
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Àëãîðèòì ðîáîòè
Ðîçðîá. Íåñòåðåíêî Ä.Â. 1:1
Ïåðåâ. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë
Ò.êîíòð. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Àðê. Àðêóø³â
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑÀñê23.23196.026.001 ÄÌ 2
ÐÑÀñê23.23196.026.001 ÄÌ 1
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Äðóêîâàíà ïëàòà
Ðîçðîá. Íåñòåðåíêî Ä.Â. 1:1
Ïåðåâ. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë
Ò.êîíòð. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Àðê. Àðêóø³â
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑÀñê23.23196.026.001 ÄÌ 1

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets