1. Анализтехнологического процесса как объекта управления
Одной из основныхсоставляющих современных систем кондиционирования и вентиляции (СКВ) являетсясредства и системы автоматики. Они реализуют различные функции управления,которые должны с одной стороны обеспечить поддержание требуемого микроклимата вобслуживаемом помещении, а с другой – экономичную и надежную работутехнологического оборудования. Диапазон функций управления, выполняемыхсистемами автоматики по количеству и сложности реализации довольно широк: отпростого включения – выключения до централизованного управления климатическимили всем инженерным оборудованием здания [1].
Основные технологическиефункции управления СКВ, как правило, реализуются на уровне отдельных установокс помощью систем автоматического управления (САУ). САУ – это совокупностьобъекта управления (управляемого технологического процесса) и управляющихустройств, взаимодействие которых обеспечивает автоматическое протеканиепроцесса в соответствии с заданной программой. При этом под технологическимпроцессом понимается последовательность операций, которые необходимо выполнить,чтобы из исходного сырья получить готовый продукт. В случае СКВ готовымпродуктом является воздух в обслуживаемом помещении с заданными параметрами(температура, влажность, газовый состав и так далее), а сырьем наружный ивытяжной воздух, теплоносители, электроэнергия и другие.
В основуфункционирования систем автоматического управления СКВ, как и любой системыуправления, положен принцип обратной связи: выработка управляющих воздействийна основе информации об объекте, полученной с помощью датчиков, установленныхна объекте.
Каждая конкретная САУразрабатывается исходя из заданной технологии обработки входного потокавоздуха. Это могут быть простые вентиляционные системы или центральныекондиционеры в сочетании с автономными устройствами (осушители, автономныекондиционеры, увлажнители).
При применении автономныхустройств или комплектных технологических установок обработки воздуха САУпоставляются уже встроенными в оборудование и уже заложенными определеннымифункциями управления, которые обычно подробно описываются в техническойдокументации. В этом случае наладка, сервисное обслуживание и эксплуатациятаких систем управления должны производиться в точном соответствии с указаннойдокументацией.
Если САУ требуетразработки для конкретной технологической схемы и оборудования с инсталляцией внего средств автоматики других фирм – производителей, то определениеоптимальной программы и конкретных функций управления должно вестись совместноспециалистами по кондиционированию и вентиляции и специалистами поавтоматизации. При таком подходе учитываются как требования к системеавтоматизации, так и к автоматизируемому объекту.
Современные САУ вкачестве средств управления используют, как правило, электронные цифровыеустройства на базе микропроцессоров. По своим техническим возможностям этиустройства позволяют обеспечить управление множеством параметров. Это пуск иостановка отдельных технологических аппаратов и всей системы в целом,блокировка и защита оборудования в аварийных ситуациях, индикация, переход срежима на режим и так далее. Устройства комплексно решающие функции управленияи регулирования, называются управляющими контроллерами. При их использовании вбольшинстве случаев исключается необходимость применения таких элементовавтоматики, как реле, преобразователи, переключатели, счетчики, индикаторы,измерительные приборы и тому подобное. Это в свою очередь позволяет:
- повыситьточность поддержания регулирующих параметров и надежность работы системы;
- уменьшитьгабариты средств управления;
- упроститьмонтаж и сократить сроки его выполнения;
- облегчитьэксплуатацию системы.
В ряде случаев, за счетперечисленных достоинств, можно уменьшить фактическую стоимость средстваавтоматики с учетом капитальных и эксплуатационных затрат.
2. Аппаратуратехнологического процесса
Состав системывентиляции зависит от ее типа. Наиболее сложными и часто используемыми являютсяприточные искусственные (механические) системы вентиляции. Типовая приточнаямеханическая вентиляционная система состоит из следующих компонентов(расположенных по направлению движения воздуха, от входа к выходу).
Воздухозаборная решетка– через нее в систему поступает наружный воздух. Вентиляционные решетки, как ивсе другие элементы вентиляционной системы, бывают круглой или прямоугольнойформы. Эти решетки не только выполняют декоративные функции, но и защищаютсистему вентиляции от попадания внутрь капель дождя и посторонних предметов.
Воздушный клапанпредотвращает попадание в помещение наружного воздуха при выключенной системевентиляции. Воздушный клапан особенно необходим зимой, поскольку без него впомещение будет попадать холодный воздух и снег. Как правило, в приточныхсистемах вентиляции устанавливаются клапана с электроприводом, что позволяетполностью автоматизировать управление системой – при включении вентилятора (икалорифера) клапан открывается, при выключении – закрывается.
Фильтр – необходим длязащиты, как самой системы вентиляции, так и вентилируемых помещений от пыли,пуха, насекомых. Обычно устанавливается один фильтр грубой очистки, которыйзадерживает частицы величиной более 10 мкм. Если к чистоте воздухапредъявляются повышенные требования, то дополнительно могут быть установленыфильтры тонкой очистки (задерживают частицы до 1 мкм) и особо тонкой очистки(задерживают частицы до 0,1 мкм). Фильтрующим материалом в фильтре грубой очисткислужит ткань из синтетических волокон, например, акрила. Фильтр необходимопериодически очищать от грязи и пыли, обычно не реже одного раза в месяц. Дляконтроля загрязненья фильтра можно установить дифференциальный датчик давления,который контролирует разность давления воздуха на входе и выходе фильтра — призагрязнении разность давления увеличивается.
Калорифер иливоздухонагреватель предназначен для подогрева подаваемого с улицы воздуха взимний период. Калорифер может быть водяным или электрическим. Для небольшихприточных установок выгоднее использовать электрические калориферы, посколькуустановка такой системы требует меньших затрат. Для большого количествапомещений желательно использовать водяные нагреватели, иначе затраты наэлектроэнергию окажутся очень большими. Существует способ в несколько разснизить затраты на подогрев поступающего воздуха. Для этого используетсярекуператор – устройство, в котором холодный приточный воздух нагревается засчет теплообмена с удаляемым теплым воздухом. Разумеется, воздушные потоки приэтом не смешиваются.
Вентилятор – основалюбой системы искусственной вентиляции. Он подбирается с учетом двух основныхпараметров: производительности, то есть количества прокачиваемого воздуха иполном давлении. По конструктивному исполнению вентиляторы разделяются наосевые (пример – бытовые вентиляторы «на ножке») и радиальные илицентробежные («беличье колесо»). Осевые вентиляторы обеспечиваютхорошую производительность, однако характеризуются низким полным давлением, то есть,если на пути воздушного потока встречается препятствие (длинный воздуховод споворотами, решетка и тому подобное), то скорость потока существенноуменьшается. Поэтому в системах вентиляции с разветвленной сетью воздуховодовприменяют радиальные вентиляторы, отличающиеся высоким давлением созданноговоздушного потока. Другими важными характеристиками вентиляторов являетсяуровень шума и габариты. Эти параметры в большой степени зависят от маркиоборудования.
Шумоглушитель –поскольку вентилятор является источником шума, после него обязательноустанавливают шумоглушитель, чтобы предотвратить распространение шума повоздуховодам. Основным источником шума при работе вентилятора являютсятурбулентные завихрения воздуха на его лопастях, то есть аэродинамические шумы.Для снижения этих шумов используется звукопоглощающий материал определеннойтолщины, которым облицовываются одна или несколько стенок шумоглушителя. Вкачестве звукопоглощающего материала обычно используют минеральную вату,стекловолокно и тому подобное.
Воздуховоды – послевыхода из шумоглушителя обработанный воздушный поток готов к распределению попомещениям. Для этих целей используются воздухопроводная сеть, состоящая извоздуховодов и фасонных изделий (тройников, поворотов, переходников). Основнымихарактеристиками воздуховодов являются площадь сечения, форма (круглая илипрямоугольная) и жесткость (бывают жесткие, полугибкие и гибкие воздуховоды).
Скорость потока ввоздуховоде не должна превышать определенного значения, иначе воздуховод станетисточником шума. Поэтому площадью сечения воздуховода определяется объемпрокачиваемого воздуха, то есть размер воздуховодов подбирается исходя израсчетного значения воздухообмена и максимально допустимой скорости воздуха.
Жесткие воздуховодыизготавливаются из оцинкованной жести и могут иметь круглую или прямоугольнуюформу. Полугибкие и гибкие воздуховоды имеют круглую форму и изготавливаются измногослойной алюминиевой фольги. Круглую форму таким воздуховодам придаеткаркас из свитой в спираль стальной проволоки. Такая конструкция удобна тем,что воздуховоды при транспортировке и монтаже можно складывать«гармошкой». Недостатком гибких воздуховодов является высокоеаэродинамическое сопротивление, вызванное неровной внутренней поверхностью, поэтомуих используют только на участках небольшой протяженности.
Распределители воздуха– через них воздух из воздуховода попадает в помещение. Как правило, в качествевоздухораспределителей используют решетки (круглые или прямоугольные, настенныеили потолочные) или диффузоры (плафоны). Помимо декоративных функций,воздухораспределители служат для равномерного рассеивания воздушного потока попомещению, а также для индивидуальной регулировки воздушного потока,направляемого из воздухораспределительной сети в каждое помещение. Системырегулировки и автоматики – последним элементом вентиляционной системы являетсяэлектрический щит, в котором обычно монтируют систему управления вентиляцией. Впростейшем случае система управления состоит только из выключателя с индикатором,позволяющего включать и выключать вентилятор. Однако чаще всего используютсистему управления с элементами автоматики, которая включает калорифер припонижении температуры приточного воздуха, следит за чистотой фильтра, управляетвоздушным клапаном и так далее. В качестве датчиков для системы управленияиспользуют термостаты, гигростаты, датчики давления и тому подобное.
3. Постановка идекомпозиция общей задачи управления технологическим процессом
Управляющие функцииможно условно разделить на две категории. Первая объединяет функции управления,определяемые технологией и оборудованием обработки воздуха. Вторая –дополнительные функции, которые большей частью являются сервисными.
Технологические функцииуправления СКВ практически неизменны, то есть являются типовыми и различаются восновном способом реализации, а, следовательно, качеством и надежностью работы.Большинство этих функций определяется требованиями, предъявляемыми к САУнормативными документами (СНиП, ПУЭ, ГОСТ и другие) [2, 3].
В общем виде основныетехнологические функции управления СКВ могут быть разделены на следующиегруппы:
- контрольи регистрация параметров;
- оперативноеи программное управление;
- функциизащиты и блокировки;
- регулирующиефункции.
3.1 Контроль ирегистрация параметров
Обязательнымипараметрами контроля [3 (п.9.7.)] являются:
- температураи давление в общих подающем и обратном трубопроводах и на выходе каждоготеплообменника;
- температуравоздуха наружного, рециркуляционного и приточного после теплообменника, а такжетемпература и относительная влажность (при ее регулировании) в помещении всистемах кондиционирования.
Другие параметры всистемах вентиляции и кондиционирования контролируются по требованиютехнических условий на оборудование или по условию эксплуатации.
Дистанционный контрольпредусматривают для измерения основных параметров технологического процесса илипараметров, задействованных в реализации других функций управления. Такойконтроль осуществляется с помощью датчиков и измерительных преобразователей свыводом (при необходимости) измеренных параметров на индикатор или экрануправляющего прибора.
Для измерения другихпараметров обычно используют местные (переносные или стационарные) приборы –показывающие термометры, манометры или термоманометры.
Применение местныхконтролирующих приборов не нарушает основной принцип систем управления –принцип обратной связи. В этом случае он реализуется с помощью человека(оператора или обслуживающего персонала).
Регистрацию основныхпараметров следует предусматривать только по технологическим требованиям.
3.2 Оперативное ипрограммное управление
Последовательностьпуска. Для обеспечения нормального пуска системы кондиционирования иливентиляции следует учитывать:
А) Предварительноеоткрытие воздушных заслонок до пуска вентиляторов. Это выполняется в связи стем, что не все заслонки в закрытом состоянии могут выдержать перепад давлений,создаваемый вентилятором, а время полного открытия заслонки электроприводомдоходит до двух минут.
Б) Разнесение моментовзапуска электродвигателей. Асинхронные электродвигатели имеют большие пусковыетоки. Так, компрессоры холодильных машин имеют пусковые токи, в 5–7 разпревышающие рабочие (до 100А и более). Если одновременно запустить вентиляторы,холодильные машины и другие приводы, то из-за большой нагрузки на электрическуюсеть здания сильно упадет напряжение, и электродвигатели могут не запуститься.Поэтому запуск электродвигателей, особенно большой мощности, необходиморазносить по времени.
В) Предварительныйпрогрев калорифера. Если включить кондиционер, не прогрев водяной калорифер, топри низкой температуре наружного воздуха может сработать защита отзамораживания. Поэтому при включении кондиционера необходимо открыть заслонкиприточного воздуха, открыть трехходовой клапан водяного калорифера и прогретькалорифер. Как правило, эта функция включается при температуре наружноговоздуха ниже 12 °С.
Последовательностьостанова. При отключении системы следует учитывать:
А) Задержку остановкивентилятора приточного воздуха в установках с электрокалорифером. После снятиянапряжения с электрокалорифера следует охлаждать его некоторое время, невыключая вентилятор приточного воздуха. В противном случае нагревательныйэлемент калорифера (тепловой электрический нагреватель – ТЭН) может выйти изстроя.
Б) Задержку выключенияхолодильной машины. При выключении холодильной машины хладагент сосредоточитсяв самом холодном месте холодильного контура, т. е. в испарителе. Припоследующем пуске возможен гидроудар. Поэтому перед выключением компрессора,сначала закрывается клапан, устанавливаемый перед испарителем, а затем придостижении давления всасывания 2,0–2,5бар, компрессор выключается. Вместе сзадержкой выключения компрессора производится задержка выключения приточноговентилятора.
Резервирующие идополняющие функции закладываются при работе в схеме нескольких одинаковыхфункциональных модулей (электрокалориферов, испарителей, холодильных машин),когда в зависимости от затребованной производительности включаются один илинесколько элементов. Для повышения надежности устанавливаются резервныевентиляторы, электронагреватели, холодильные машины. При этом периодически(например, через 100ч) основной и резервный элементы меняются функциями,выравнивая, таким образом, их время наработки.На рисунке 1 показан типовойграфик включения и отключения аппаратов и устройств приточно-вытяжной системы.Весь этот цикл система должна отрабатывать автоматически, а, кроме того, долженбыть предусмотрен индивидуальный пуск оборудования, который необходим при наладкеи профилактических работах.
/>
Рисунок 1 – Типовойграфик работы приточно-вытяжной вентиляции
Немаловажное значениеимеют функции программного управления, такие как смена режимов «зима-лето» и«день-ночь». Особенно актуальна реализация этих функций в современных условияхдефицита энергетических ресурсов. В простейшем случае эти функциипредусматривают или вообще отключение СКВ в определенный момент времени, илиснижение (повышение) заданного значения регулируемого параметра (например,температуры) в зависимости от периода суток («день-ночь») или изменениятепловых нагрузок в обслуживаемом помещении. Более эффективным, но и болеесложным в реализации, является программное управление, предусматривающееавтоматическое изменение структуры СКВ и алгоритма ее функционирования нетолько в традиционном режиме «зима-лето», но и в переходных режимах [1].
При этом основноймотивацией и критерием оптимизации, как правило, является стремлениеобеспечить, возможно, минимальное потребление энергии при ограничениях накапитальные затраты, габариты и так далее.
3.3 Защитные функции и блокировки
Защитные функции иблокировки общие для систем автоматики и электрооборудования (защита откороткого замыкания, перегрева, ограничения перемещения и тому подобное)оговорены межведомственными нормативными документами. Такие функции, обычно,реализуются отдельными аппаратами (предохранителями, устройствами защитногоотключения, конечными выключателями и так далее). Их применениерегламентируется правилами устройства электроустановок (ПУЭ), нормативнымиправовыми актами по охране труда (НПА ОП) и правилами пожарной безопасности(ППБ).
3.3.1 Защита отзамерзания
Функция автоматическойзащиты от замерзания должна быть предусмотрена в районах с расчетнойтемпературой наружного воздуха для холодного периода минус 5°С и ниже [3(п.9.18.)]. Защите подлежат теплообменники первого подогрева и рекуператоры.
Выделяют три основныхфактора, способствующих замерзанию воды:
- ошибки,допущенные при проектировании и связанные с завышенной поверхностью нагрева,обвязкой по теплоносителю и способом управления;
- превышениетемпературы горячей воды, и как следствие резкое снижение скорости движенияводы, из-за чего создается опасность замерзания воды в теплообменнике;
- опасностьзамерзания в нерабочее время при перетекании холодного воздуха из-занегерметичности клапана наружного воздуха и при полном закрытии плунжераводяного клапана.
Обычно защита отзамерзания теплообменников выполняется на базе датчиков или датчиков-релетемпературы воздуха за аппаратом и температуры теплоносителя в обратномтрубопроводе.
3.3.2 Защитатехнологической аппаратуры и электрооборудования
Контроль загрязненностифильтра оценивается падением давления на нем, которое измеряетсядифференциальным датчиком давления. Датчик измеряет разность давлений воздухадо и после фильтра. Допустимое падение давления на фильтре указывается в егопаспорте (обычно 150–300Па). Эта разность устанавливается при наладке системына дифференциальном датчике (уставка датчика). При достижении уставки отдатчика поступает сигнал о предельной запыленности фильтра и необходимости егообслуживания или замены. Если в течение определенного времени (обычно 24 часов)после выдачи сигнала предельной запыленности фильтр не будет очищен илизаменен, необходимо предусмотреть аварийную остановку системы.
Аналогичные датчикиустанавливаются на вентиляторах. Если выйдет из строя вентилятор или ременьпривода вентилятора, то система должна быть остановлена в аварийном режиме.
Защиты и блокировкиэлектрического калорифера. Особые меры защиты и блокировок необходимы прииспользовании в системах вентиляции и кондиционирования электрическогокалорифера.
Если при низкойтемпературе наружного воздуха полной мощности электрического калорифера дляподдержания заданной температуры недостаточно, то снижается производительность(скорость вращения) вентиляторов. Следует помнить, что при снижении скоростивращения вентиляторов количество поступившего в помещение воздуха может несоответствовать требованиям санитарных норм. Однако это позволяет обеспечитьработу центрального кондиционера до температуры наружного воздуха минус 20–25°С.
Кроме того, приотсутствии потока воздуха электрокалорифер выйдет из строя через 10–15 секунд,что недопустимо. Поэтому для защиты электрокалорифера при отсутствии потокавоздуха необходимо его отключение по команде датчика потока или блокированиеего работы при неработающем вентиляторе.
В калориферах, какправило, устанавливают еще два ступени защиты:
первая ступень – защитаот перегрева с самовозвратом (температура срабатывания 50 °С);
вторая ступень – защитаот возгорания с ручным возвратом (температура срабатывания 150 °С).
Первая ступеньсрабатывает обратимо, то есть после того, как температура воздуха за электрокалориферомснизится до 40°С, калорифер включается снова. Однако если такое выключениеслучится несколько раз в течение определенного времени (например, одного часа),то необходимо аварийное отключение системы. При срабатывании второй ступенисистема должна отключиться, включить ее повторно можно только вручную послеустранения неисправности.
Кроме того,автоматические блокировки регламентированы для:
- открыванияи закрывания клапанов наружного воздуха при включении и отключении вентиляторов[3 (п.9.13а)];
- открыванияи закрывания клапанов систем вентиляции, соединенных воздухопроводами дляполной или частичной взаимозаменяемости при выходе из строя одной из систем [3(п.9.13б)];
- закрыванияклапанов систем вентиляции для помещений, защищаемых установками газовогопожаротушения при отключении вентиляторов систем вентиляции этих помещений [3 (п.9.13в)];
- обеспеченияминимального расхода наружного воздуха в системах с переменным расходом [3 (п.9.15)]и др.
3.4 Регулирующиефункции
Регулирующие функции –автоматическое поддержание заданных параметров являются основными поопределению [3 (п.9.11)] для систем воздушногоотопления, приточной и вытяжной вентиляции, работающей с переменным расходом,рециркуляцией воздуха, систем кондиционирования, холодоснабжения и местногоувлажнения воздуха в помещениях. При этом для систем кондиционированияоговаривается точность поддержания параметров воздуха (если отсутствуютспециальные требования), которая составляет в точках установки датчиков ± 1°Спо температуре и ±7% по относительной влажности.
Эти функции выполняютсяс помощью замкнутых контуров регулирования, в которых принцип обратной связиприсутствует в явном виде: информация об объекте, поступающая от датчиков,преобразуется регулирующими устройствами в управляющие воздействия. На рисунке2 приведен пример контура регулирования температуры приточного воздуха вканальном кондиционере. Температура воздуха поддерживается водяным калорифером,через который пропускается теплоноситель. Воздух, проходя через калорифер,нагревается. Температура воздуха после водяного калорифера измеряется датчиком(Т), далее ее величина поступает на устройство сравнения (УС) измеренногозначения температуры и температуры уставки. В зависимости от разности междутемпературой уставки (Tуст) и измеренным значением температуры (Тизм)устройство управления (Р) вырабатывает сигнал, воздействующий на исполнительныймеханизм (М – электропривод трехходового клапана). Электропривод открывает илизакрывает трехходовой клапан до положения, при котором ошибка ε = Tуст –Тизм будет минимальной.
/>
Т — датчик; УС — устройство сравнения; Р — регулирующее устройство; М — исполнительное устройство;РО — регулирующий орган; ОУ — объект управления
Рисунок 2 – Контуррегулирования температуры приточного воздуха в воздуховоде с водянымтеплообменником
Таким образом,построение системы автоматического регулирования на основании требований к точностии другим параметрам ее работы (устойчивости, колебательности и других) сводитсяк выбору ее структуры и элементов, а также к определению параметров регулятора.Обычно, это выполняется специалистами по автоматизации с использованиемклассической теории автоматического регулирования [4]. Отметим только, чтопараметры настройки регулятора определяются динамическими свойствами объектауправления и выбранным законом регулирования. Закон регулирования – взаимосвязьмежду входным (∆) и выходным (Uр) сигналами регулятора.
4. Выбор принципиальныхтехнических решений
Способ реализацияфункций управления в системах автоматики обычно определяется общим уровнемразвития элементной базы. До 90-х годов прошлого столетия в промышленности (втом числе и в СКВ) доминировал принцип «аппарат-функция». Его суть заключаласьв том, что конкретную функцию в локальных системах автоматики реализовалоконкретное устройство, выполненное, как правило, на базе релейно-контакторнойаппаратуры. Реализация более сложных систем управления по такому принципупостроения в настоящее время практически не осуществляется. Современные САУ вкачестве средств управления используют, как правило, электронные цифровыеустройства на базе микропроцессоров. По своим техническим возможностям эти устройствапозволяют обеспечить управление множеством параметров.
Аналогомразрабатываемой системе автоматизации кондиционирования и вентиляции воздуха можетслужить вентиляционная установка Martaфирмы 2VV. Компактная приточнаяустановка данной фирмы всасывает свежий воздух из окружающей среды ициркуляционный воздух из проветриваемого помещения. Количество циркуляционноговоздуха можно установить в пределах 0-100%. Кроме того, воздух нагревается ифильтруется. Двухступенчатое фильтрование обеспечивает не только захват частиц,рассеянных в воздухе, но также частично улавливает запах. Обработанный воздухвыдувается в помещение. Компактная приточная установка Marta являетсякомпактной вентиляционной установкой с пластмассовой дизайновой крышкой икоробкой из листовой стали. В задней части компактной приточной установкинаходится всасывающий патрубок для свежего воздуха, а в нижней — решетка длярециркуляционного воздуха. Соотношение перемешивания можно регулировать спомощью механического смесительного клапана.
Установка снабженацентробежным вентилятором с отводом прямого действия, электрическимнагревателем, углеродным фильтром и складчатым фильтром. Воздух из установкипоступает прямо в помещение через продувочную решетку.
Разрабатываемая жесистема автоматизации при всем прочем позволяет:
- повыситьточность поддержания регулирующих параметров и надежность работы системы;
- уменьшитьгабариты средств управления;
- упроститьмонтаж и сократить сроки его выполнения;
- облегчитьэксплуатацию системы.
В ряде случаев, за счетперечисленных достоинств, можно уменьшить фактическую стоимость средстваавтоматики с учетом капитальных и эксплуатационных затрат.
5. Разработкатехнического задания на создание системы автоматизации
В системе имеется одинконтур регулирования и контролируется два параметра: разность давления ввоздуховоде на входе и выходе из фильтра, а также температура наружного воздухавокруг водяного калорифера.
Таблица 1 – Задание насоздание системы автоматизацииНаименование технологического агрегата Назначение Наименование параметров Величина параметров Степень автоматизации Точность Воздуховод
Транспортировка
воздуха через фильтр Давление 150-300 Па Автоматический контроль ±5Па Транспортировка воздуха через водяной калорифер Температура 5°С Автоматический контроль 0°С Транспортировка воздуха в ОП Температура 8-48°С Автоматическое регулирование ±1°С
6. Математическоеописание объекта регулирования
При создании ивнедрении САР вентиляции и кондиционирования воздуха необходимо знать характеристики,как определенных элементов СКВ, так и системы в целом, которые описывают ихповедение в переходных и установившихся режимах. Только по такимхарактеристикам можно оптимально выбрать регулятор, датчики, исполнительныемеханизмы, построить САР и произвести ее наладку.
Наиболее широкоиспользуются методы математического описания САР на основе передаточных функцийW(p), которые отражают взаимосвязь входных и выходных параметров отдельныхэлементов и всей системы [1].
Обобщенную структурнуюсхему САР можно представить в виде, показанном на рисунке 3:
/>
Рисунок 3 – Обобщеннаяструктурная схема САР
Датчики параметроввоздуха и тепловлагоносителей можно рассматривать как апериодическое звенопервого порядка. Их инерционность (постоянная времени) зависит от конструкции имассы чувствительного элемента. Еще в более сильной степени инерционностьзависит от скорости воздуха. При неподвижном воздухе постоянная временидатчиков достигает десятков минут и для помещений может оказаться самой большойпостоянной среди звеньев объекта. Поэтому с целью снижения инерционностиприменяют локальное повышение скорости воздуха вблизи датчика, установкудатчиков в приточном или рециркуляционном воздухопроводах и другие приемы.
Регуляторы расхода(клапаны) изменяют расход воздуха Gвили воды Gw при повороте створокна угол α или перемещенииплунжера h. При мгновенномизменении α или hрасход воздуха или воды также меняется мгновенно. Поэтому клапаны являютсяобычными усилительными звеньями, в которых входная и выходная величины связаныкоэффициентом передачи. Для воздушного клапана />, где /> –сечение клапана. Для водяного клапана при данном диаметре клапана и типеплунжера />. Функции /> и /> обычнонелинейны, и коэффициенты передачи при разных положениях α или h могутменяться значительно, если клапаны поставлены без расчета.
Основным элементом CКВявляется обслуживаемое помещение (ОП), в котором постоянно совершается переходвоздуха из одного состояния в другое. Для поддержания заданных параметров вобслуживаемое помещение подается приточный воздух с параметрами, отличными отпараметров внутри помещения. Перемешиваясь с внутренним воздухом и вытесняяего, приточный воздух ассимилирует избыточное тепло и влагу или подогревает иувлажняет воздух помещения.
Обслуживаемое помещениехарактеризуется рассредоточенными показателями воздуха. Учет рассредоточенныххарактеристик затруднен, поэтому помещение при решении задач автоматическогорегулирования рассматривается как объект с сосредоточенными параметрами, т. е.температура и влажность воздуха определяются в наиболее типичной (рабочей)зоне. Именно в такой зоне должны быть установлены датчики регулируемыхпараметров.
/>
Рисунок 4 – Обобщеннаяфункциональная модель обслуживаемого помещения как объекта регулирования
На функциональной схемеобслуживаемого помещения (рисунок 4) выделены внешние возмущающие воздействия(тепловая Qн, влажностная Wни аэродинамическая Gн нагрузки) ивнутренние (тепловая Qпом,влажностная Wпом и газовая Спомнагрузки). Входными параметрами являются: температура tпр,влажность dпр и расход подаваемогов помещение воздуха Gпр, исоответственно регулируемыми: tпом,dпом и Спом. В системах комфортногокондиционирования для стабилизации заданного состояния воздуха, т. е. двухнезависимых переменных tпоми dпом можно использовать, в общемслучае, три управляющие воздействия: tпр,dпр и Gпр.Особенности применения каждого определяются исходными условиями, ограничениями,накладываемыми на систему, а также экономическими соображениями.
Обычно вкондиционируемых помещениях переменна тепловая нагрузка, влажностная –относительно постоянна, а газовая – требует некоторого минимального расходанаружного воздуха.
Для такого объектавозможны три вида систем стабилизации температуры: с постоянным или переменнымрасходом воздуха и смешанные.
Управление температуройпомещения с помощью изменения расходов приточного и удаляемого воздуха(количественное регулирование), несмотря на преимущества, связанные с экономиейтеплоты, воды и электроэнергии, уменьшении мгновенных и годовых расходов,реализуется редко. Это связано с относительно высокими капитальными затратами исложностью управления, особенно многозональных систем. Поэтому, наиболеераспространенными являются системы стабилизации температуры в помещении поканалу изменения температуры приточного воздуха (качественное управление).Такие системы наиболее полно исследованы как объекты автоматизации: выведеныаналитически и экспериментально подтверждены передаточные функции, значениякоэффициентов передач и постоянных времени.
Динамические свойствапомещения зависят от кратности воздухообмена Кв, обобщенного размера помещения lV(отношение объема помещения Vпомк площади поверхности ограждений F),коэффициентов теплопередачи ограждений Когр и постоянной времени огражденияТогр. Аналитически передаточная функция по каналу температуры приточноговоздуха получена в виде
/>, (1)
где Kпоми Тогр могут быть определены по показателям Кв, lV,Когр,
теплопроводности св иплотности ρв воздуха [2];
Тпом – постояннаявремени помещения – может быть определена как
Тпом ≈Кв-1.
/>
1 – эксперимент; 2 –расчет
Рисунок 5 – Процессизменения температуры в помещении
Анализ кривыхпереходного процесса, построенных на основании приведенной передаточной функциии экспериментальных данных, показывает, что процесс изменения температуры впомещении имеет два явно выраженных участка (рисунок 5). На первом (А) –процесс изменения температуры происходит быстро, скорость изменения температурыпри этом зависит от кратности воздухообмена Кв. По литературным данным этототрезок времени составляет (3–4)Кв-1. По мере поглощения теплоты ограждением и оборудованиемскорость изменения температуры воздуха замедляется (участок В), проявляется инерционностьограждений (Тогр может составлять порядка десятка часов). Поэтому,теоретический конец переходного процесса достигается через несколько суток.
Учитывая, что дляпомещений характерны периоды изменения составляющих тепловой нагрузки отнескольких минут до часов, в задачах с такими периодами колебаний можнопренебречь инерционностью ограждений и представить помещение апериодическимзвеном первого порядка с передаточной функцией
/>. (2)
/>
Рисунок 6
По экспериментальнойкривой разгона (рисунок 6) определяем параметры объекта регулирования:коэффициент теплопередачи помещения Кпом=0,88 и постоянной времени помещенияТпом=125 секунд. Запишем передаточную функцию, подставив в формулу 2 численныезначения:
/> (3)
7. Выбор и расчетрегулятора
Задачавыбора закона управления и типа регулятора состоит в следующем: необходимовыбрать такой тип регулятора, который при минимальной стоимости и максимальнойнадежности обеспечивал бы заданное качество регулирования. Могут быть выбранырелейные, непрерывные или дискретные (цифровые) типы регуляторов.
Вкачестве непрерывных регуляторов предполагается использовать регуляторы,реализующие И, П, ПИ, ПД и ПИД — законы управления. Теоретически, с усложнениемзакона регулирования качество работы системы улучшается.
Реализация П-регуляторатребует применения регулируемого усилительного элемента (механического,пневматического, электрического и т. п.), который может функционировать как спривлечением добавочного источника энергии, так и без него. Последняяразновидность П-регуляторов называется регуляторами прямого действия. Примеромрегулятора прямого действия в СКВ является – терморегулирующий вентиль (ТРВ),предназначенный для регулировки количества хладагента, подаваемого виспаритель, в зависимости от температуры перегретого пара на выходе испарителя.Изменение Кп (настройка ТРВ) производится с помощью вращения регулировочноговинта. Другой разновидностью П-регуляторов являются позиционные регуляторы,которые реализуют пропорциональный закон регулирования при Кп, стремящемся кбесконечности и формируют выходной сигнал Uр, имеющий определенное числопостоянных значений, например, два или три, соответствующие двух- илитрехпозиционным регуляторам. Такие регуляторы иногда называют релейными из-засходства их графических характеристик с характеристиками реле. Параметромнастройки таких регуляторов служит величина зоны нечувствительностиΔε.
В технике автоматизациисистем кондиционирования и вентиляции двухпозиционные регуляторы в видупростоты и надежности нашли широкое применение при регулировании температуры(термостаты), давления (прессостаты) и других параметров состояния процесса[1]. Двухпозиционные регуляторы используются также в системах автоматическойзащиты, блокировок и переключения режимов работы оборудования. В этом случае ихфункции выполняют датчики-реле.
Несмотря на указанныедостоинства П-регуляторов, они обладают большой статической ошибкой (при малыхзначениях Кп) и склонностью к автоколебаниям (при больших значениях Кп).Поэтому при более высоких требованиях к регулирующим функциям систем автоматикипо точности и устойчивости применяют и более сложные законы регулирования,например, ПИ- и ПИД-законы.
ПИ-закон регулированияхарактеризуется наличием второй составляющей – интегральной (И), котораясуммирует во времени сигнал ∆, тем самым заставляя регулирующий органзанять положение, соответствующее нулевой статической ошибке. Кроме Кп, ПИ–регулятор имеет второй параметр настройки Ти– время интегрирования. Сочетаниезначений этих параметров настройки определяет приемлемый характер протеканияпереходного процесса по его длительности и колебательности.
В ПИД – регуляторе,кроме упомянутых пропорциональной и интегральной составляющих, введена ещедифференциальная (Д), которая вырабатывает регулирующее воздействиепропорциональное скорости изменения ∆ и характеризуется параметромнастройки Тд (постоянная времени дифференцирования). Такие регуляторы предпочтительныдля объектов с резкими перепадами температур (скачкообразное изменениетеплопритоков) или с большим транспортным запаздыванием (длинные трубо- ивоздухопроводы).
Реализация ПИ и ПИД –регуляторов требует выполнения специальных вычислительных операций, которыемогут быть осуществлены или аппаратно (аналоговые устройства на основеоперационных усилителей), или программно (цифровые вычислительные устройства).Для регулирования основных технологических параметров СКВ (температура,влажность и т. п.) существует большой ассортимент как непрерывных, так ицифровых одно- и многоканальных регуляторов.
Втаблице 2 приведены рекомендации по выбору закона регулирования и типарегулятора, исходя из величины отношения запаздывания τd кпостоянной времени объекта Т.
Таблица2 – Выбор закона регулирования и типа регулятора
Соотношение
τd /Т Характеристика объекта
Закон регулирования
и тип регулятора
по запаздыванию
и инерционности
по степени
регулируемости 0Очень хорошо
регулируемый
Релейный, непрерывный П-,
ПИ-, ПД-, ПИД-регулятор 0,05С большой инерцион-
ностью и с малым
запаздыванием
Очень хорошо
регулируемый
Релейный, непрерывный П-,
ПИ-, ПД-, ПИД-регулятор 0,1С существенным
транспортным
запаздыванием
Хорошо
регулируемый
Релейный, непрерывный П-,
ПИ-, ПД-, ПИД-регулятор 0,2С существенным
транспортным
запаздыванием
Еще
регулируемый
Непрерывный или цифровой
ПИ-, ПД-, ПИД-регулятор 0,4С существенным
транспортным
запаздыванием
Трудно
регулируемый
Непрерывный или цифровой
ПИ-, ПД-, ПИД-регулятор 0,8С большим
транспортным
запаздыванием
Очень трудно
регулируемый
Непрерывный или цифровой
ПИ-, ПД-, ПИД-регулятор τd /Т>1
С большим
транспортным
запаздыванием
Очень трудно
регулируемый
Цифровой регулятор с
упредителем
Исходяиз таблицы 2 можно заключить, что наш объект без запаздывания и очень хорошорегулируемый. В качестве регулятора может быть использован релейный,непрерывный П-, ПИ-, ПД- или ПИД-регулятор.
Дляподбора параметров регулятора воспользуемся функцией подбора регулятора впрограмме Matlab. Собрав модельсхемы регулирования, показанную на рисунке 7 и задавшись в блоке SignalConstraint выбранным типомпереходного процесса, получаем параметры настройки регулятора Kd=-94.7979,Ki=39.9194, Kp=271.2686.
/>
Рисунок 7 – Модельсхемы регулирования
8. Исследованиеустойчивости системы автоматического регулирования
Для исследованияустойчивости системы, предварительно разомкнув ее по главной обратной связи,построим годограф Найквиста (рисунок 8).
/>
Рисунок 8 – ГодографНайквиста
По критерию Найквистазамкнутая система является устойчивой, так как ее амплитудно-фазная частотнаяхарактеристика не охватывает точку с координатами [-1;j0], и обладаетбесконечными запасами устойчивости по амплитуде и по фазе.
9. Исследованиепереходных процессов
Линеаризировав системуи построив реакцию системы на единичный скачок, определим показатели качествасистемы управления. График полученной переходной характеристики и показателикачества изображены на рисунке 9.
/>
Рисунок 9 – Графикпереходной характеристики
Таким образом, ПИДрегулятор с выбранными настройками обеспечивает следующие показатели: времярегулирования tрег=375с, времянарастания tн=275с. Установившеесязначение выходной величины (/>)совпадает с заданной величиной, поэтому установившаяся ошибка />, а значит, системаявляется астатической, относительно скачка задания />.
10. Составлениеспецификации на приборы и аппараты
Средства автоматизации,с помощью которых осуществляется управление процессом, должны быть выбранытехнически грамотно и экономически обоснованно. При выборе средствавтоматизации в первую очередь принимают во внимание следующие факторы:
- взрыво-и пожароопасность объекта (повышенное давление 0,6 МПа);
- агрессивностьсреды;
- числопараметров, участвующих в управлении, и их физические и химические свойства;
- требованияк качеству контроля и регулирования;
- уровеньтемператур;
- расстояниемежду технологическим объектом и щитом управления (сравнительно не велико);
- точностьиспользуемых средств измерения (электрические вторичные приборы более точные).
Исполнительныемеханизмы, воздуховоды и датчики, используемые в схеме автоматизации отображеныв спецификации.
10.1 Регулятор ТРМ12
ТРМ12 – измерительПИД-регулятор для управления задвижками и трехходовыми клапанами фирмы ОВЕН.Рекомендуется для управления клапанами и задвижками с электроприводом потемпературе теплоносителя. Выполняет следующие функции:
А)Измерение температуры или другой физической величины (давления, влажности,расхода, уровня и т.п.) с помощью:
- термопреобразователейсопротивления типа ТСМ и ТСП 50/100, Pt100;
- термопарыТХК, ТХА, ТНН, ТЖК, ТПП(S),ТПП(R);
- датчикас унифицированным выходным сигналом тока 0(4)…20мА, 0…5мА или напряжения 0…1В
Б)Управление электромеханическим приводом запорно-регулирующего или
трехходовогоклапана
В)Программирование кнопками на лицевой панели прибора
Г)Сохранение заданных параметров при отключении питания
Д)Защита параметров от несанкционированных изменений.
Техническиехарактеристики регулятора ТРМ12 представлены в таблице 3.
Таблица 3 – ТехническиехарактеристикиНоминальное напряжение питания 220В 50Гц Допустимое отклонение номинального напряжения -15…+10% Предел допустимой основной погрешности измерения входного параметра (без учета погрешности датчика) ±0,5% Максимально допустимый ток источника питания 50мА Количество входов для подключения датчиков 1
10.2 Измерениетемпературы
Термопреобразователипредназначены для непрерывного измерения температуры различных рабочих сред(пар, газ, вода, сыпучие материалы, химические реагенты и т.п.) не агрессивныхк материалу корпуса датчика. В системе в качестве датчиков температурыустановлено два термоэлектрических преобразователя (ТП) типа дТПL(ХК)и дТПК(ХА). ТП представляют собой термоэлектрическую цепь (термопару),образованную двумя разнородными металлическими проводниками с двумя спаями:
- измерительныйспай («рабочий») – подверженный воздействию температуры рабочей среды;
- соединительныйспай («холодный») – подверженный воздействию температуры в месте присоединенияк измерительному прибору.
Диапазоны измерений ТПтипа дТПК(ХА) и дТПL(ХК) составляют -40…375°С и -40…300°С, а допустимые отклонения ±1,5°С и ±2,5°С соответственно.
10.3 Измерение давления
Также в системеустановлен преобразователь избыточного давления ОВЕН ПД100-ДИ, который:
- измеряетизбыточное давление нейтральных к титану и нержавеющей стали сред, а такжеизмерение перепада давления;
- преобразованиеизбыточного давления в унифицированный сигнал постоянного тока 4…20мА;
- пределдопустимой основной погрешности ±0,5% или ±1,0%;
- высокаяперегрузочная способность по давлению;
- хорошиепоказатели временной стабильности выходного сигнала.
10.4 Устройстваконтроля и защиты
В системе используетсяустройство управления и защиты электропривода задвижки без применения концевыхвыключателей ОВЕН ПКП1. Осуществляет следующие функции:
- автоматическаяостановка электропривода при достижении задвижкой крайнего положения безприменения концевых выключателей;
- выключениеуправления приводом с выдачей сигнала «Авария» при заклинивании задвижек илипроскальзывании механизмов электропривода и т.д.
автоматическаясистема управление вентиляция
11. Разработка иописание функциональной и электрической принципиальной схемы
Принципиальныеэлектрические схемы автоматизации являются проектными документами,расшифровывающими принцип действия и работы узлов, устройств и системавтоматизации, работающих от источника электрической энергии.
Принципиальныеэлектрические схемы автоматизации при помощи показанных на схемах условныхграфических, буквенных и цифровых изображений и обозначений, дают представлениео последовательности работы применяемой электрической аппаратуры и элементовдля достижения поставленных задач для упомянутых узлов, устройств и систем.
Принципиальныеэлектрические схемы автоматизации разрабатываются для управления агрегатами,для регулирования технологических процессов, блокировок по технологическимпараметрам, аварийной защиты производственных и технологических процессов ипредупредительной и аварийной сигнализации.
Данные схемыявляются основными чертежами для разработки рабочих монтажных чертежей и проведенияпусконаладочных работ и квалифицированной эксплуатации этих узлов, устройств исистем электрического принципа действия. Названия принципиальным электрическимсхемам присваиваются в соответствии с функциональным принципом действиязапроектированной системы.
Привыполнении принципиальных электрических схем используются развернутыеизображения элементов.
Схемауправления вентиляционной установки состоит из вентиляторов В1 и В2 сприводными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором М1-М4, предназначеннойдля проветривания помещений и поддержания при этом заданной температуры. Этитребования осуществляются ступенчатым регулированием угловой скоростидвигателей путем изменения напряжения статора с помощью автотрансформатора AT,а также выбором количества находящихся в работе вентиляторов. Схемаобеспечивает ручное и автоматическое управление вентиляторами; выбор режимаработы осуществляется переключателем УП.
Ручноеуправление имеет место при переводе рукоятки УП в положение «+45°», при этомподготавливаются к включению цепи катушек контакторов КЛ, К1-К4. Двигателивентиляторов по питанию разделены на две группы:
- первая группа (М1и М2) подключена к шинам на вторичной стороне AT постоянно;
- вторая группа М3и М4 присоединяется к шинам AT и включается в работу (при ручном управлении)переводом рукоятки переключателя ПК2 в положение 2, при котором срабатываетконтактор К4.
Заключение
В данномкурсовом проекте была построена автоматическая система управленияприточно-вытяжной вентиляции. Система вентиляции работает следующим образом:всасывает свежий воздух из окружающей среды и циркуляционный воздух изпроветриваемого помещения. Количество циркуляционного воздуха можно установитьв пределах 0-100%. Кроме того, воздух нагревается и фильтруется. Двухступенчатоефильтрование обеспечивает не только захват частиц, рассеянных в воздухе, нотакже частично улавливает запах. Обработанный воздух выдувается в помещение. Взадней части установки находится всасывающий патрубок для свежего воздуха, а внижней – решетка для рециркуляционного воздуха. Соотношение перемешивания можнорегулировать с помощью механического смесительного клапана.
Применениесовременных средств контроля, исполнительных механизмов и быстродействующихнадежных регуляторов ТРМ12 позволяют сделать систему вентиляции надежной иэкономичной, а системы сигнализации и блокировки обеспечивают ее безопасность.
Список использованныхисточников
1. БондарьЕ.С. и др. Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха // К.:«Аванпост-Прим», – 2005.
2. СНиП3.05.07-85 Системы автоматизации.
3. СНиП2.04.05-91 Отопление, вентиляция и кондиционирование.
4. СолодовниковВ.В. и др., Основы теории и элементы систем автоматического регулирования.Учебное пособие для вузов. – М.: Машиностроение, 1985.
5. ГордиенкоА.С., Сидельник А.Б., Цибульник А.А., Микропроцессорные контроллеры для системвентиляции и кондиционирования // С.О.К.-2007, № 4-5.