ภาพรวมของโปรเจค

ระบบ Air to Water Heatpump Control นี้เป็นโปรเจคที่ผสมผสานเทคโนโลยี Arduino กับ Variable Frequency Drive (VFD) เพื่อสร้างระบบควบคุมฮีตปั๊มป์ที่มีประสิทธิภาพสูง สามารถประหยัดพลังงานได้อย่างมีนัยสำคัญ

จุดเด่นของระบบนี้คือการใช้ Variable Speed Control ที่ช่วยให้คอมเพรสเซอร์ทำงานด้วยความเร็วที่เหมาะสมกับความต้องการ แทนการเปิด-ปิดแบบเดิม ซึ่งช่วยลดการสึกหรอและประหยัดไฟฟ้าได้มาก

อุปกรณ์ที่ต้องใช้

🤖 Arduino และ Electronics

• Arduino Mega 2560 - 890฿ (ควบคุมหลักของระบบ)
• DS18B20 Temperature Sensors (4 ตัว) - 120฿/ตัว (วัดอุณหภูมิน้ำเข้า-ออก, อากาศ)
• Relay Module 8 Channel - 350฿ (ควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้า)
• LCD Display 20x4 I2C - 280฿ (แสดงสถานะระบบ)
• Rotary Encoder - 150฿ (ปรับค่าต่างๆ)

⚡ Inverter และ Motor

• VFD Inverter 3-Phase - 4,500-8,000฿ (ควบคุมความเร็วคอมเพรสเซอร์)
• 3-Phase AC Motor - 3,000-6,000฿ (คอมเพรสเซอร์ฮีตปั๊มป์)
• Contactor และ Overload Relay - 800฿ (ป้องกันมอเตอร์)
• Current Transformer (CT) - 450฿ (วัดกระแสไฟฟ้า)

🌡️ Heatpump Components

Heat Exchanger และระบบหมุนเวียนน้ำ

Water Tank และระบบท่อ

• Evaporator Coil - 2,500-4,000฿ (ดูดความร้อนจากอากาศ)
• Condenser/Heat Exchanger - 3,000-5,000฿ (ถ่ายความร้อนให้น้ำ)
• Expansion Valve - 800-1,200฿ (ควบคุมการไหลของสารทำความเย็น)
• Refrigerant R410A - 1,500฿ (สารทำความเย็น)

การเขียนโปรแกรม Arduino

โปรแกรมหลักของระบบประกอบด้วยส่วนสำคัญ 4 ส่วน คือ การอ่านอุณหภูมิ, การควบคุม PID, การสื่อสารกับ VFD, และระบบป้องกัน

โครงสร้างโปรแกรมหลัก

Arduino IDE และโครงสร้างโค้ด

LCD Display และการแสดงสถานะ

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <ModbusMaster.h>

// Pin Definitions
#define ONE_WIRE_BUS 2
#define RELAY_COMPRESSOR 3
#define RELAY_WATER_PUMP 4
#define RELAY_FAN 5
#define ANALOG_CURRENT A0

// Temperature Sensors
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);
DeviceAddress tempSensor1, tempSensor2, tempSensor3, tempSensor4;

// LCD Display
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4);

// Modbus for VFD Communication
ModbusMaster node;

// System Variables
float waterTempIn = 0;
float waterTempOut = 0;
float airTemp = 0;
float condenserTemp = 0;
float targetTemp = 45.0;
float currentFreq = 30.0;
bool systemRunning = false;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  
  // Initialize Temperature Sensors
  sensors.begin();
  sensors.getAddress(tempSensor1, 0);
  sensors.getAddress(tempSensor2, 1);
  sensors.getAddress(tempSensor3, 2);
  sensors.getAddress(tempSensor4, 3);
  
  // Initialize LCD
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("Heatpump Controller");
  
  // Initialize Relays
  pinMode(RELAY_COMPRESSOR, OUTPUT);
  pinMode(RELAY_WATER_PUMP, OUTPUT);
  pinMode(RELAY_FAN, OUTPUT);
  
  // Initialize Modbus
  node.begin(1, Serial1);
}

void loop() {
  readTemperatures();
  updateDisplay();
  controlSystem();
  delay(1000);
}

ระบบควบคุม PID

ระบบใช้การควบคุม PID (Proportional-Integral-Derivative) เพื่อปรับความเร็วของคอมเพรสเซอร์ให้เหมาะสมกับความต้องการ

void controlSystem() {
  // Safety checks
  if (condenserTemp > 80 || waterTempOut < 5) {
    emergencyStop();
    return;
  }
  
  // PID Control Logic
  float tempError = targetTemp - waterTempOut;
  static float lastError = 0;
  static float integral = 0;
  
  float kp = 2.0;  // Proportional gain
  float ki = 0.1;  // Integral gain
  float kd = 0.5;  // Derivative gain
  
  integral += tempError;
  float derivative = tempError - lastError;
  
  float output = kp * tempError + ki * integral + kd * derivative;
  
  // Convert to frequency (30-60 Hz)
  currentFreq = constrain(30 + output, 30, 60);
  
  // Start/Stop Logic
  if (tempError > 2.0 && !systemRunning) {
    startSystem();
  } else if (tempError < -1.0 && systemRunning) {
    stopSystem();
  }
  
  // Update VFD frequency
  if (systemRunning) {
    setVFDFrequency(currentFreq);
  }
  
  lastError = tempError;
}

การสื่อสารกับ VFD Inverter

การควบคุม VFD ผ่าน Modbus RTU ช่วยให้สามารถปรับความเร็วมอเตอร์ได้แม่นยำและตรวจสอบสถานะการทำงานแบบ Real-time

การตรวจสอบอุณหภูมิด้วย Thermal Camera

Temperature Sensors และระบบตรวจสอบ

void setVFDFrequency(float frequency) {
  // Convert frequency to register value
  uint16_t freqValue = (uint16_t)(frequency * 100);
  
  // Write to VFD frequency register
  uint8_t result = node.writeSingleRegister(0x2001, freqValue);
  
  if (result == node.ku8MBSuccess) {
    Serial.print("VFD Frequency set to: ");
    Serial.print(frequency);
    Serial.println(" Hz");
  } else {
    Serial.println("VFD Communication Error!");
  }
}

void readVFDStatus() {
  // Read VFD status registers
  uint8_t result = node.readHoldingRegisters(0x3001, 6);
  
  if (result == node.ku8MBSuccess) {
    uint16_t outputFreq = node.getResponseBuffer(0);
    uint16_t outputCurrent = node.getResponseBuffer(1);
    uint16_t outputVoltage = node.getResponseBuffer(2);
    
    Serial.print("Output Freq: ");
    Serial.print(outputFreq / 100.0);
    Serial.println(" Hz");
  }
}

การต่อวงจรและ Wiring

Electrical Panel และ Wiring Diagram

Control Circuit (24V DC)

• Arduino Mega 2560: VCC → 5V Power Supply, GND → Common Ground
• Temperature Sensors: Red → 5V, Black → GND, Yellow → Pin 2 (with 4.7kΩ pullup)
• Relay Module: VCC → 5V, IN1-IN8 → Arduino Pins 3-10
• LCD Display: VCC → 5V, GND → GND, SDA → Pin 20, SCL → Pin 21

Power Circuit (380V AC)

• VFD Inverter: R, S, T → 3-Phase Input, U, V, W → Motor Output
• Motor Protection: Contactor → Main Power Switch, Overload Relay → Motor Protection
• Safety Systems: Emergency Stop, Phase Monitor, Earth Leakage Protection

การปรับแต่งระบบ

PID Tuning

• Proportional (Kp): เริ่มต้นที่ 2.0 ปรับตามการตอบสนอง
• Integral (Ki): เริ่มต้นที่ 0.1 เพิ่มถ้ามี Steady State Error
• Derivative (Kd): เริ่มต้นที่ 0.5 ลดถ้าระบบสั่นไหว

VFD Parameters

• Minimum Frequency: 30 Hz (ป้องกันมอเตอร์ทำงานช้าเกินไป)
• Maximum Frequency: 60 Hz (ตามสเปคมอเตอร์)
• Acceleration Time: 10-15 วินาที (ลดกระแสเริ่มต้น)
• Deceleration Time: 15-20 วินาที (ป้องกัน Water Hammer)

การ Monitoring และ Troubleshooting

การตรวจสอบระบบอย่างสม่ำเสมอเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

• ตรวจสอบอุณหภูมิ: ไม่ควรเกิน 80°C ที่คอนเดนเซอร์
• ตรวจสอบกระแส: ไม่ควรเกิน 80% ของ Rated Current
• ตรวจสอบความดัน: ระบบน้ำต้องมีความดันเพียงพอ
• ตรวจสอบการรั่ว: สารทำความเย็นและน้ำ
• บันทึกข้อมูล: เก็บ Log เพื่อวิเคราะห์ประสิทธิภาพ

Performance Graph และการวิเคราะห์ข้อมูล

System Parameters และการตั้งค่า

Voltage Monitoring และการวิเคราะห์พลังงาน

สรุป

ระบบควบคุมฮีตปั๊มป์น้ำด้วย Arduino และ Generic Inverter นี้เป็นโซลูชันที่มีประสิทธิภาพสำหรับการประหยัดพลังงานและเพิ่มความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิ

การใช้ Variable Speed Control ร่วมกับระบบควบคุม PID ช่วยให้ระบบสามารถปรับตัวตามสภาพแวดล้อมได้อย่างอัตโนมัติ ส่งผลให้ประหยัดพลังงานได้อย่างมีนัยสำคัญ

การติดตั้งจริง - ระบบ Heatpump ที่สมบูรณ์

ผลลัพธ์สุดท้าย - ประสิทธิภาพของระบบ