Hőmérséklet-szabályozási megoldások összehasonlítása: ON-OFF termosztátok, PI és PID vezérlés

A hőmérsékletszabályozás az ipari automatizálás és az IoT-alapú otthoni vezérlés egyik legfontosabb területe.
Szerző: HESTORE Hungary Kft. / Havas Imre

A HESTORE kínálatában kapható szenzorok és vezérlőmodulok lehetőséget adnak arra, hogy különböző vezérlési elveket próbáljunk ki és alkalmazzunk a gyakorlatban. A cikk célja, hogy áttekintést adjunk három népszerű szabályozási módszerről: a klasszikus hiszterézises ON-OFF termosztátokról, valamint a PI és PID típusú szabályozókról.

Mit fogunk megvalósítani a cikkben?

• Összehasonlítjuk a hőmérséklet-szabályozás három legelterjedtebb típusát.
• Megvizsgáljuk, hogy milyen esetekben előnyös vagy hátrányos az egyes szabályozási elvek alkalmazása.
• Rövid példákkal szemléltetjük, hogyan működnek ezek az elvek ESPHome és Arduino alapú rendszerekben.
• Kiemeljük a HESTORE-ban beszerezhető modulokat, amelyekkel egyszerűen kísérletezhetünk a különböző szabályozási módokkal.
• Ismertetünk pár, kulcsrakész PID és ON-OFF thermosztát modult

ON-OFF (hiszterézises) termosztát

Ez a legegyszerűbb szabályozási forma. A termosztát egy beállított küszöbérték alapján kapcsolja be vagy ki a fűtést/hűtést. Általában hiszterézissel működik: ha a beállított hőmérséklet 22 °C, akkor lehet például 21,5 °C alatt bekapcsol és 22,5 °C fölött kikapcsol.

Előnyök:

• Egyszerű megvalósítás, nincs szükség számításra.
• Stabil működés lassan változó rendszerekben.
• Minimális számítási kapacitást igényel, így alacsony fogyasztású ESP8266 modulokon is tökéletes.

Hátrányok:

• Lépésszerű be- és kikapcsolások miatt hullámzó hőmérséklet.
• Nem képes finom szabályzásra, túllövések gyakoriak.
• Mechanikus relé gyorsabb elhasználódása (gyakoribb kapcsolás miatt).

Alkalmazás például:

# HESTORE - ESPHome ON-OFF vezérlés példa
climate:
  - platform: thermostat
    name: "futes-hestore"
    sensor: temp_sensor
    default_target_temperature: 22
    min_temperature: 18
    max_temperature: 26
    heat_action:
      - switch.turn_on: heater
    idle_action:
      - switch.turn_off: heater
    hysteresis: 0.5

PI szabályozó

A PI (Proporcionális-Integráló) szabályozó már sokkal intelligensebben reagál a hőmérsékletváltozásokra. A szabályozó a hibát (a kívánt és a mért hőmérséklet különbségét) használja, és annak nagysága alapján szabályozza a kimenetet. Az integráló tag gondoskodik arról, hogy a hőmérséklet hosszú távon is pontosan elérje a beállított értéket.

Előnyök:

• Simább hőmérséklet-szabályozás.
• Csökkenti az állandó hibát (eltérés a célértéktől).
• PWM alapú fűtőszál vagy SSR használatával igen pontos vezérlés.

Hátrányok:

• Nem képes gyorsan reagálni változásokra, lehet kis túllövés.
• Kézi hangolást igényel a P és I tag beállításához.

Példakód Arduino PID könyvtárral (D → 0):

// HESTORE - PI szabályozó minta
#include <PID_v1.h>

double Setpoint = 22.0;
double Input, Output;

PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, 2.0, 5.0, 0.0, DIRECT);

void setup() {
  Input = readTemperature(); // pl. HESTORE DS18B20 szenzor
  myPID.SetMode(AUTOMATIC);
}

void loop() {
  Input = readTemperature();
  myPID.Compute();
  analogWrite(heaterPin, Output);
}

PID szabályozó

A PID szabályozó a PI-hez képest kiegészül a deriváló (D) taggal, amely a hőmérsékletváltozás sebességét is figyelembe veszi. Ezáltal gyorsabban reagál a változásokra, és jelentősen csökkenti a túllövéseket.

Előnyök:

• Kiváló precizitás, szinte teljesen sima hőmérsékleti görbe.
• Túllövés minimalizálása.
• Alkalmas hőkamerák vagy érzékeny anyagok szabályozására is.

Hátrányok:

• Bonyolultabb beállítás (P, I, D hangolása).
• Nagyobb számítási igény.
• Csak PWM/SSR kimenettel érdemes használni, nem relével.

Példa PID szabályozóra ESP32 alatt:

// HESTORE - PID hőmérsékletszabályzás
#include <PID_v1.h>

double Setpoint = 22.0;
double Input, Output;

PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, 2.0, 5.0, 1.0, DIRECT);

void setup() {
  Input = readTemperature(); // HESTORE.hu DHT22 vagy BME280
  myPID.SetMode(AUTOMATIC);
}

void loop() {
  Input = readTemperature();
  myPID.Compute();
  analogWrite(heaterPin, Output);
}

Melyik megoldást mikor válasszuk?

Ajánlott alkatrészek a HESTORE kínálatából ha építeni akarunk

Ajánlott kulcsrakész megoldások, ha nem akarunk programozni

Eszköz	Típus	Ajánlás
XH-W3001-12, Termosztát LED kijelzővel, 12V DC, IP20	ON-OFF	XH-W3001-12 100.416.20 1+: € 3.420
TH-50110, Termosztát modul, -50+110°C, digitális, relés kimenet (W1209)	ON-OFF	TH-50110 100.371.47 1+: € 2.509
STC-1000 / 12VDC, Thermosztát panelműszer, hőmérséklet szabályzó, 1 méter NTC mérőszondával, 12V	ON-OFF	STC-1000 / 12VDC 100.407.64 1+: € 10.277
REX-C100-SSR, PID hőfokszabályzó (thermosztát), SSR vezérlő kimenet	PI/PID	REX-C100-SSR 100.474.88 1+: € 13.728
REX-C100-RELAY, PID hőfokszabályzó (thermosztát), relé kimenet	PI/PID	REX-C100-RELAY 100.474.89 1+: € 13.839

Nincs megállás

A hőmérséklet-szabályozás terén nem kell megelégednünk az egyszerű termosztátokkal. A HESTORE-ban elérhető ESP32 és ESP8266 alapú megoldásokkal könnyedén kipróbálhatók fejlettebb vezérlési stratégiák is. Akár egy egyszerű ON-OFF vezérlésről, akár egy precíziós PID szabályzóról van szó, a megfelelő szenzorok és kiegészítők segítségével rugalmas, tanulható és hatékony megoldásokat építhetünk ki.