Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В современных условиях инфраструктуры города и промышленности распространены крупные системы кондиционирования воздуха, требующие ресурсосберегающих технологических режимов нагрева, охлаждения и увлажнения воздуха для поддержания которых используются современные системы управления автоматизации.

В помещениях постоянно совершается переход воздуха из одного состояния в другое. Для поддержания заданных параметров в обслуживаемое помещение подается приточный воздух с параметрами, отличными от параметров внутри помещения. Обслуживаемое помещение характеризуется рассредоточенными показателями воздуха.

Система кондиционирования воздуха закачивает наружный воздух, после измеряя его температуру в отсеке закачки определяет рецепты роботы секций нагрева, охлаждения и увлажнения для достижения заданных параметров температуры и влажности в помещении.

1. Актуальность темы

Основным видом управления системы кондиционирования воздуха является автоматизированное управление, техническая сущность которого заключается в централизации управления процессами нагрева, охлаждения, увлажнения воздуха для обслуживаемого помещения, при обеспечении автоматической защиты от развития аварии в случае возникновения аварийных ситуаций.

Для систем кондиционирования воздуха как объекта управления характерны возмущения на входе (влажность и температура наружного воздуха), а так же важно учитывать температуру и влажность воздуха после прохождения каждой секции. Исследования показали что существует перерасход электроэнергии из-за децентрализации управления подобных систем кондиционирования воздуха, а так же теряется эффективность всего процесса изменения параметров воздуха.

Высокая эффективность системы кондиционирования воздуха может быть обеспечена только при согласованной работе всех технологических звеньев: секции нагрева, секции охлаждения, секции увлажнения и секции повторного нагрева, что может быть обеспечено применением системы управления установкой. Таким образом, система автоматического управления процессом нагрева, охлаждения воздуха не выполняет всех необходимых функций по управлению и контролю параметров СКВ. Поэтому разработка системы автоматического управления процессами нагрева, охлаждения и увлажнения воздуха является актуальной.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель – обеспечение непрерывного кондиционирования, нагрева, охлаждения и увлажнения воздуха, снижение энергетических затрат путем разработки системы управления установкой кондиционирования воздуха.

Научная задача состоит в разработке и исследовании математической модели режимов работы установок кондиционирования воздуха на основе чего обоснование параметров контроля, алгоритма управления и схемотехнических решений по системе управления СКВ.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи исследования:

  1.  Выполнить анализ режимов работы установок кондиционирования воздуха как объектов автоматического управления и сформулировать требования к системе управления СКВ.
  2.  Составить математические модели процессов нагрева, охлаждения и увлажнения воздуха при управлении разработанной системой автоматического управления СКВ.
  3.  Обосновать и разработать алгоритм управления и схемотехнические решения по системе управления установкой.

3. Обзор исследований и разработок

3.1. Система автоматического управления установкой кондиционирования воздуха

Вопросам создания систем автоматического регулирования процессами нагрева, охлаждения и увлажнения воздуха посвящены многие работы, например, Р. Дорф, Р. Бишоп, Ч. Филлипс, Р. Харбор и другие [1–2].

В современном мире систему вентиляции или кондиционирования воздуха трудно представить без системы автоматического управления. Оборудование систем вентиляции или кондиционирования воздуха системами автоматического управления позволяет снизить энергетические затраты, точнее поддерживать заданные параметры микроклимата в обслуживаемых помещениях, уменьшить количество персонала, обслуживающего рассматриваемую систему. Система автоматики предотвращает возникновение аварийных ситуаций, и своевременно сообщает оператору об угрозе их появления.

Автоматизированные системы по созданию микроклимата обеспечивают легкое, эффективное управление и регулирование параметрами воздуха, позволяют оптимизировать работу оборудования, устанавливая параметры микроклимата в соответствии с заранее составленной программой, управляют работой климатических систем через интернет и интегрируются в систему управления зданием (интеллектуальные здания).

Системы автоматики и диспетчеризации для систем кондиционирования, вентиляции и отопления решают следующие основные задачи:

  1.  Автоматическое обеспечение необходимого микроклимата.
  2.  Надежная и безотказная работа установленных систем.
  3.  Возможность снижения общих капитальных затрат и расходов на эксплуатацию (за счет уменьшения энергопотребления и повышения надежности работы оборудования).
  4.  Снижение затрат на использование высококлассных и дорогих специалистов.
  5.  Безопасность как установленных систем, так и их пользователей.

Для систем кондиционирования существует две системы управления: локального и распределённого типа.

Локальный тип представляет собой полную автоматизацию системы или систем кондиционирования воздуха и их объединение, для обеспечения автоматизации используется единый логический контроллер и в зависимости от требований человеко-машинный интерфейс. Данный тип преимущественно используется для автоматизации процессов в едином здании.

При проектировки данного типа системы в первую очередь берут во внимание размеры помещения и количество воздуха который необходимо вентилировать, нагревать, охлаждать или увлажнять. Для очень больших зданий, например таких как спортивные комплексы, гипермаркеты, различные типы производства, так же подойдет данный тип. Так как существуют довольно мощные установки что бы справляться с поставленной задачей.

Система управления для СКВ разрабатывается таким образом, что все управление производиться одним контроллером и при необходимости управление или изменение параметров управления осуществляется оператором через человеко-машинный интерфейс. В данной САУ все элементы системы обмениваются данными друг с другом, что позволяет очень качественно выполнять регулирование параметров. Это очень важно при взаимодействии секций нагрева, охлаждения и увлажнения. По стандарту секция увлажнения устанавливается после других секций СКВ и очень важно учитывать параметры поступающего в нее воздуха с учетом преобразования в других секциях. От данных параметров зависит качество регулирования.

Распределенный тип используется при чрезмерно сложном комплексе систем кондиционирования воздуха. Выполняется перераспределение систем управления на несколько, но с единым или несколькими, объединённых между собой, человеко-машинных интерфейсов. Данный тип преимущественно используется для автоматизации процессов в нескольких зданиях.

При проектировки данного типа системы самым главным параметром является размеры помещения и их количество, а так же количество воздуха который необходимо вентилировать, нагревать, охлаждать или увлажнять. Данный тип подходит для структуры нескольких и более зданий. Он так же может использоваться и в едином здании в разных помещениях, к примеру разные типы СКВ на определенных этажах здания. Но данные системы не будут связаны между собой информационным каналом и работать автономно друг с другом.

Система управления разрабатывается таким образом что управление каждой секции или набора секций СКВ выполняется специально подобранным контроллером и при необходимости управление или изменение параметров управления осуществляется оператором через человеко-машинный интерфейс. Информационный обмен между САУ такого типа не осуществляется так как он вовсе не нужен. К примеру системам в разных зданиях нет необходимости обмениваться информацией о температуре воздуха в помещениях своего здания, так как данная информация не влияет на регулирование. В рассматриваемой системе кондиционирования воздуха используется распределенный тип.

Секции нагрева, охлаждения и увлажнения оснащены собственным контроллером и не имеют информационного обмена друг с другом. Это выделяет ряд недостатков:

  1.  Выбор такого типа системы управления для использования в едином здании неприемлем.
  2.  Качество регулирования такой системы не удовлетворяет поставленным целям.
  3.  Крупные экономические расходы, в связи с автономностью каждой секции.
  4.  Сложность в монтаже и обслуживании.

Учитывая все выше сказанное был сделан вывод о проектировании системы с локальной системой управления, что существенно улучшит показатели системы при решении поставленных задач задач.

3.2. Аппаратура автоматизации системы кондиционирования воздуха

Главную роль при создании автоматической системы управления играет проектирование, а именно выбор датчиков и исполнительных механизмов.

Разрабатываемая система должна автоматически регулировать подачу воды в трубки, которые расположены в секциях нагрева и охлаждения. Для достижения поставленных задач необходимо получение информации о параметрах, которые характеризуют и влияют на режим роботы объекта.

Для того что бы обеспечить эффективное управление объектом необходимо:

  1.  Измерять температуру наружного воздуха и воздуха внутри помещения.
  2.  Измерять влажность наружного воздуха и воздуха внутри помещения.
  3.  Измерять влажность воздуха в секциях нагрева и охлаждения.
  4.  Измерять температуру воздуха в секциях нагрева и охлаждения.
  5.  Измерения количества приходящей и уходящей воды.
  6.  Регулировать количество подачи воды запорным клапаном, для поддержания заданной температуры воздуха.

Исходя из этих требований, возникает необходимость подключения к САУ процесса нагрева, охлаждения и увлажнения воздуха блока датчиков, который состоит из датчиков температуры, датчиков расхода, датчика измерения влажности, а также комплекса исполнительных механизмов.

Конкретные типы средств автоматизации выбираем с учетом особенностей технологического процесса и его параметров.

В первую очередь берем такие факторы как огне и взрывоопасность, агрессивность и токсичность среды, число параметров, которые берут участие в управлении, дальность передачи сигналов информации и необходимые точность и быстродействие. Эти факторы определяют выбор методов измерения технологических параметров, необходимые функциональные возможности приборов, диапазон измерения, классы точности.

Конкретные приборы и средства автоматизации подобраны исходя из таких размышлений:

  1.  Для контроля и регулирования одинаковых параметров технологического процесса необходимо использовать однотипные средства автоматизации, которые выпускаются серийно.
  2.  Высокий класс точности приборов.

Реализация системы нагрева, охлаждения и увлажнения воздуха невозможна без программируемого контроллера. При выборе семейства контроллеров в первую очередь необходимо учитывать их надежность в городских условиях эксплуатации, количество совместно работающих программно-аппаратных средств, высокое качество изготовления. Использование промышленных контроллеров позволяет быстро выполнить проект за счет того, что все программное обеспечение (ПО) поставляется вместе с модулями, необходимых для выполнения поставленных перед нами задач.

Программы управления записываются в память контроллера и совершают управляющее воздействие на исполнительные органы.

Выбранное направление решения задания позволит добавить элементам САУ нагрева, охлаждения, увлажнения воздуха такие характеристики:

  1.  Стандартизация – использование программно-технических решений основанных на существующих стандартах.
  2.  Открытость – использование открытых стандартов.
  3.  Масштабность – возможность наращивания элементов системы с минимальными растратами.
  4.  Комплексность подхода – создание элемента системы с ориентацией на общесистемные цели.

Работы таких авторов как Е.С. Бондарь, А.С. Гордиенко, В.А. Михайлов, Г.В. Нимич, В.А. Лукас [3–4]. позволяют качественно осуществить выбор технических елементов.

4. Основные результаты исследований и разработки

4.1. Параметры управления

Для реализации способа управления установкой кондиционирования необходимо определить:

  1.  Количество подаваемой воды в секции.
  2.  Количество входящего воздуха.
  3.  Время процессов нагрева, охлаждения и увлажнения воздуха.

Выше описанные параметры рассчитываются полагаясь на технические свойства элементов системы и для секций такой мощности, как правило, являются постоянны. Данные параметры взаимосвязаны, данная взаимосвязь может быть описана следующей передаточной функцией:

Рисунок 1 – Передаточная функция описывающая процессы в секциях СКВ

4.2. Модель системы кондиционирования воздуха и ее принцып работы

Система автоматического управления обеспечивает поддержку заданных параметров воздуха в помещении. Система учитывает параметры входящего воздуха и измененного воздуха на выходе из каждой секции и координирует систему, которая, на основе данных значений определяет оптимальность прохождения процесса.

Рисунок 2 – Модель системы кондиционирования воздуха
(анимация: 5 кадров, 147 килобайт, 5 циклов повторения)

Принцип работы системы следующий: при подаче на программируемый логический контроллер сигнала о включении системы кондиционирования воздуха производится активация всех датчиков и других элементов, открывается наружная заслонка секции закачки воздуха, после чего происходит закачка воздуха при помощи мощного вентилятора. Происходит опрос всех датчиков, производится измерение температуры и влажности воздуха окружающей среды, в помещении и в секциях системы кондиционирования воздуха. Информация о температуре и влажности воздуха поступает в программируемый логический контроллер, после чего обрабатывается и при необходимости регулирования, если температура или влажность воздуха не соответствует заданному значению которое вводиться оператором, или соответствует заданному режиму работы (Зима/Лето, День/Ночь), подается регулирующий сигнал на исполнительные механизмы, который сразу же открывает клапаны для подачи воды в трубки на столько, на сколько нужно для достижения необходимой температуры и влажности воздуха. За температурой и влагой воздуха следят датчики температуры TE и датчики влажности ME, на схеме они обозначены комплексами D, у каждого комплекса своя нумерация. Начинается нагрев, охлаждение или увлажнение воздуха. При достижении заданной температуры и влажности клапан подачи воды закрывается на столько на сколько нужно для поддержания температуры и влажности. Поступает сигнал на исполнительные механизмы. При этом изменять режим работы, желаюмую температуру или влажность воздуха можно при помощи сервера (компьютера) либо ЧМИ панели управления, на которых установлено специальное программное обеспечение. При изменении параметров, на одном из двух устройств, незамедлительно поступает сигнал на контроллер, который регулирует параметры секций установки кондиционирования воздуха. Связь между контроллером, сервером (компьютером) и ЧМИ панелью осуществляется при помощи Industrial Ethernet. При желании возможно подключение через Profibus DP.

4.3. Моделирование системы управления

На данном этапе рассматриваться только секции нагрева и охлаждения, секция увлажнения будит разрабатываться в дальнейшем выполнении магистерской работы. Моделирование системы будим проводить с учетом возмущений. К возмущению относится температура наружного атмосферного воздуха. Зададим входной сигнал равный 25 °C, а как возмущение скачек температуры в 10 °C. Исходя из теории ТАУ и для упрощения анализа графиков входной сигнал возьмем равный 1, а возмущение равное 0.3. Соответственно 1 равна 25 °C, а 0.3 равно 30% из 25 °C, что ≈ 10 °C. При моделировании мы основываемся на том, что если система обработает резкий и крупный скачек температуры, то с остальными возмущающими воздействиями она так же справиться.

Схемы моделирования в пакете Simulink построим основываясь на структурную схему системы управления для секций нагрева и охлаждения воздуха.

Выполним моделирование для секции подогрева воздуха:

Рисунок 3 – Схема моделирования для секции нагрева: а) система регулирования температуры воздуха в помещении, б) система регулирования температурой воздуха на выходе установки

Выполним моделирование системы при полученных настройках регулятора.

Рисунок 4 – График изменения температуры воздуха с приложенным возмущением

Рисунок 5 – График изменения температуры воздуха с приложенным возмущением и подключенным компенсатором

Рисунок 6 – График изменения температуры на выходе из установки

Выполним моделирование для секции охлаждения воздуха:

Рисунок 7 – Схема моделирования для секции охлаждения: а) система регулирования температуры воздуха в помещении, б) система регулирования температурой воздуха на выходе установки

Выполним моделирование системы при полученных настройках регулятора.

Рисунок 8 – График изменения температуры воздуха с приложенным возмущением

Рисунок 9 – График изменения температуры воздуха с приложенным возмущением и подключенным компенсатором

Рисунок 10 – График изменения температуры на выходе из установки

Проанализируем выше приведенные графики: На рис. 4, 8 графиках зависимостей температуры от времени, можем пронаблюдать работу системы с поданным возмущением. Видно, что перерегулирование составляет не более 10%, что вполне удовлетворяет требованиям системы при таком резком скачке. На графиках можем наблюдать, что в определенный момент времени подавалось внешнее возмущение, а именно перепад температуры окружающей среды. Далее на рис. 5, 9 изображены графики зависимостей системы с компенсатором. Проанализировав их наблюдаем, что перерегулирование так же составляет не более 10% и система справляется с возмущением должным образом. На графиках рис. 6, 10 мы можем проанализировать качество изменения температуры на выходе из установки. Перерегулирование системы составляет не более 10% и система отлично справляется с поставленной задачей.

Перед нами стояла задача по оценке качества. Выбранными требованиями были:

  1.  Перерегулирование не более 20%.
  2.  Время переходного процесса для системы с учетом параметров помещения не более 60 мин (3600 сек), для системы без учета параметров помещения не более 10 мин (600 сек).

Анализируя выше представленные графики можем сделать вывод, что система в полной мере удовлетворяет выше перечисленным критериям качества.

Выводы

В результате проведенного анализа режимов работы систем кондиционирования воздуха ка объектов автоматического управления сформулированы требования к системе управления СКВ, отличительной особенностью которых является централизация управления и взаимосвязь всех секций установки.

В результате проведенного анализа существующих систем управления секциями установки был выбран локальный тип САУ. Предложен новый способ автоматического управления установкой кондиционирования воздуха, а именно реализация обмена данными параметров воздуха между секциями и расчет рецептов с учетом этих данных.

В работе обоснованы и разработаны технические решения по системе управления с использованием программированного логического контроллера.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2017 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Р. Дорф, Р. Бишоп Современные системы управления. – М.: Лаборатория Базовых Знаний. – 2002 – 832 с.
  2. Ч. Филлипс, Р. Харбор Системы управления с обратной связью. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 – 616 с.
  3. Е. С. Бондарь, А. С. Гордиенко, В. А. Михайлов, Г. В. Нимич Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Издательство Аванпост‑прим, 2003. – 561 с.
  4. В. А. Лукас Теория управления техническими системами. Учебный курс для вузов. Екатеринбург: Издательство УГГГА, 2002. – 675 с.
  5. А. Л. Нестеров Проектирование АСУТП. Методическое пособие. Книга 1. – СПб.: издательство ДЕАН, 2006. – 552 с.
  6. А. Л. Нестеров Проектирование АСУТП. Методическое пособие. Книга 2. – СПб.: Издательство ДЕАН, 2009. – 944 с.
  7. Simatic S7. Технические данные. Интернет издание, 2009г. – 539 с.
  8. Simatic Touch Panel. Технические данные. Интернет издание, 2009г. – 80 с.
  9. А. Г. Сотников Автоматизация систем кондиционирования воздуха и вентиляции. – Л.: Машиностроение (Ленингр. отд–ние), 1984.
  10. А. С. Клюев, А .Т. Лебедев, С. А. Клюев, А. Г. Товарнов Наладка средств автоматизациии и автоматических систем регулирования: Справочное пособие, Под ред. А. С. Клюева. – 2‑е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоавтомиздат, 1989 г. – 368 с.