ДонНТУ   Портал магістрів

Волочко Артем Васильович

Факультет комп’ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра автоматики і телекомунікацій

Спеціальність Системи управління і автоматика

Розробка системи автоматичного управління промислової системи кондиціонування повітря

Науковий керівник: к.т.н., доц. Червинський Володимир Володимирович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результаты
• 3. Огляд досліджень та розробок
• 3.1. Система автоматичного управління установкою кондиціонування повітря
• 3.2. Апаратура автоматизації системи кондиціонування повітря
• 4. Основні результати досліджень та розробки
• 4.1. Параметры управління
• 4.2. Структурна схема системи кондиціонування повітря та її принцип дії
• 4.3. Моделювання системи управління
• Висновки
• Список джерел

Вступ

В сучасних умовах інфраструктури міста і промисловості поширені великі системи кондиціонування повітря, вимоги до яких ресурсозберігаючі технологічні режими нагріву, охолодження і зволоження повітря, для виконання цих вимог використовуються сучасні системи управління автоматизації.

В приміщеннях постійно відбувається перехід повітря з одного стану в інший. Для підтримки заданих параметрів в обслуговуване приміщення подається припливне повітря з параметрами, відмінними від параметрів всередині приміщення. Приміщення характеризується розосередженими показниками повітря.

Система кондиціювання повітря закачує зовнішнє повітря, після вимірюючи його температуру у відсіку закачування визначає рецепти роботи секцій нагріву, охолодження і зволоження для досягнення заданих параметрів температури і вологості в приміщенні.

1. Актуальність теми

Основним видом управління системи кондиціонування повітря є автоматизоване управління, технічна сутність якого полягає в централізації управління процесами нагріву, охолодження, зволоження повітря для приміщення, що обслуговується, при забезпеченні автоматичного захисту від розвитку аварії в разі виникнення аварійних ситуацій.

Для систем кондиціонування повітря як об’єкта управління характерні обурення на вході (вологість і температура зовнішнього повітря), а так само важливо враховувати температуру і вологість повітря після проходження кожної секції. Дослідження показали що існує перевитрата електроенергії через децентралізацію управління подібних систем кондиціонування повітря, а так само втрачається ефективність всього процесу зміни параметрів повітря.

Висока ефективність системи кондиціонування повітря може бути забезпечена тільки при злагодженій роботі всіх технологічних ланок: секції нагріву, секції охолодження, секції зволоження і секції повторного нагріву, що може бути забезпечено застосуванням системи управління установкою. Таким чином, система автоматичного управління процесом нагрівання, охолодження повітря не виконує всіх необхідних функцій з управління та контролю параметрів СКП. Тому розробка системи автоматичного управління процесами нагріву, охолодження і зволоження повітря є актуальною.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результаты

Ціль – забезпечення безперервного кондиціонування, нагрівання, охолодження та зволоження повітря, зниження енергетичних витрат шляхом розробки системи управління установкою кондиціонування повітря.

Наукове завдання полягає в розробці та дослідженні математичної моделі режимів роботи установки кондиціонування повітря на основі чого обґрунтування параметрів контролю, алгоритму управління і схемотехнічних рішень по системі управління скв.

Для досягнення поставленої мети необхідно виконати наступні завдання дослідження:

1.  Виконати аналіз режимів роботи установки кондиціонування повітря як об’єкту автоматичного управління і сформулювати вимоги до системи управління СКП.
2.  Скласти математичні моделі процесів нагрівання, охолодження і зволоження повітря при управлінні розробленою системою автоматичного управління СКП.
3.  Обгрунтувати і розробити алгоритм управління та схемотехнічні рішення по системі управління установкою.

3. Огляд досліджень та розробок

3.1. Система автоматичного управління установкою кондиціонування повітря

Питанням створення систем автоматичного регулювання процесами нагріву, охолодження і зволоження повітря присвячено багато робот, наприклад, Р. Дорф, Р. Бишоп,Ч. Филлипс, Р. Харбор та інші [1–2].

У сучасному світі систему вентиляції і кондиціонування повітря важко уявити без системи автоматичного управління. Устаткування систем вентиляції або кондиціонування повітря системами автоматичного управління дозволяє знизити енергетичні витрати, точніше підтримувати задані параметри мікроклімату в обслуговуваних приміщеннях, зменшити кількість персоналу, який обслуговує дану систему. Система автоматики запобігає виникненню аварійних ситуацій, і своєчасно повідомляє оператору про загрозу їх появи.

Автоматизовані системи по створенню мікроклімату забезпечують легке, ефективне управління і регулювання параметрами повітря, дозволяють оптимізувати роботу обладнання, встановлюючи параметри мікроклімату відповідно до заздалегідь складених програм, які керують роботою кліматичних систем через інтернет і інтегруються в систему управління будівлі (інтелектуальні будівлі).

Системи автоматики і диспетчеризації для систем кондиціонування, вентиляції та опалення вирішують такі основні завдання:

1.  Автоматичне забезпечення необхідного мікроклімату.
2.  Надійна і безвідмовна робота встановлених систем.
3.  Можливість зниження загальних капітальних витрат і витрат на експлуатацію (за рахунок зменшення енергоспоживання і підвищення надійності роботи обладнання).
4.  Зниження витрат на використання висококласних і дорогих фахівців.
5.  Безпека як встановлених систем, так і їх користувачів.

Для систем кондиціонування існує дві системи управління: локального і розподіленого типу.

Локальний тип являє собою повну автоматизацію системи або систем кондиціонування повітря і їх об’єднання, для забезпечення автоматизації використовується єдиний логічний контролер і в залежності від вимог людино‑машинний інтерфейс. Даний тип переважно використовується для автоматизації процесів в єдиному будинку.

При проектуванні даного типу системи в першу чергу беруть до уваги розміри приміщення і кількість повітря який необхідно вентилювати, нагрівати, охолоджувати або зволожувати. Для дуже великих будівель, наприклад таких як спортивні комплекси, гіпермаркети, різні типи виробництва, так само підійде даний тип. Так як існують досить потужні установки що б справлятися з поставленим завданням.

Система управління для СКП розробляється таким чином, що все управління проводитися одним контролером і при необхідності управління або зміна параметрів управління здійснюється оператором через людино‑машинний інтерфейс. У даній САУ всі елементи системи обмінюються данними, що дозволяє дуже якісно виконувати регулювання параметрів. Це дуже важливо при взаємодії секцій нагріву, охолодження і зволоження. За стандартом секція зволоження встановлюється після інших секцій СКП і дуже важливо враховувати параметри повітря які надходять до неї з урахуванням перетворення в інших секціях. Від цих параметрів залежить якість регулювання.

Розподілений тип використовується при надмірно складному комплексі систем кондиціонування повітря. При перерозподілі систем управління на кілька, але з єдиним або декількома, об’єднаних між собою, людино‑машинних інтерфейсів. Даний тип переважно використовується для автоматизації процесів в декількох будівлях.

При проектуванні даного типу системи найголовнішим параметром є розміри приміщення і їх кількість, а так само кількість повітря який необхідно вентилювати, нагрівати, охолоджувати або зволожувати. Даний тип підходить для структури декількох і більше будівель. Він так само може використовуватися і в єдиному будинку в різних приміщеннях, наприклад різні типи СКП на певних поверхах будівлі. Але дані системи не будуть пов’язані між собою інформаційним каналом і працюватимуть автономно один від одного.

Система управління розробляється таким чином що управління кожної секції або набору секцій СКП виконується спеціально підібраним контролером і при необхідності управління або зміна параметрів управління здійснюється оператором через людино‑машинний інтерфейс. Інформаційний обмін між САУ такого типу не здійснюється так як він зовсім не потрібен. Наприклад системам в різних будівлях немає необхідності обмінюватися інформацією про температуру повітря в приміщеннях свого будинку, так як дана інформація не впливає на регулювання. У даній системі кондиціонування повітря використовується розподілений тип.

Секції нагріву, охолодження і зволоження оснащені власним контролером і не мають інформаційного обміну між собою. Це виділяє ряд недоліків:

1.  Вибір такого типу системи управління для використання в одній будівлі неприйнятний.
2.  Якість регулювання такої системи не задовольняє поставленим цілям.
3.  Великі економічні витрати, в зв’язку з автономністю кожної секції.
4.  Складність в монтажі і обслуговуванні.

З огляду на все вищесказане був зроблений висновок про проектування системи з локальною системою управління, що істотно поліпшить показники системи при вирішенні поставлених завдань завдань.

3.2. Апаратура автоматизації системи кондиціонування повітря

Головну роль при створенні автоматичної системи управління відіграє проектування, а саме вибір датчиків і виконавчих механізмів.

Розробляєма система повинна автоматично регулювати подачу води в трубки, які розташовані в секціях нагрівання та охолодження. Для досягнення поставлених завдань є отримання інформації про параметри, які характеризують і впливають на режим роботи об’єкта.

Для того щоб забезпечити ефективне управління об’єктом необхідно:

1.  Вимірювати температуру зовнішнього повітря і повітря всередині приміщення.
2.  Вимірювати вологість зовнішнього повітря і повітря всередині приміщення.
3.  Вимірювати вологість повітря в секціях нагрівання та охолодження.
4.  Вимірювати температуру повітря в секціях нагрівання та охолодження.
5.  Вимірювання кількість прихідної і вихідної води.
6.  Відрегулювати кількість подачі води запірним клапаном, для підтримки заданої температури повітря.

Виходячи з цих вимог, виникає необхідність підключення до САУ процесу нагріву, охолодження і зволоження повітря блоку датчиків, який складається з датчиків температури, датчиків витрати, датчика вимірювання вологості, а також комплексу виконавчих механізмів.

Конкретні типи засобів автоматизації вибираємо з урахуванням особливостей технологічного процесу і його параметрів.

В першу чергу беремо такі фактори як вогне і вибухонебезпечність, агресивність і токсичність середовища, число параметрів, які беруть участь в управлінні, дальність передачі сигналів інформації та необхідні точність і швидкість. Ці фактори визначають вибір методів вимірювання технологічних параметрів, необхідні функціональні можливості приладів, діапазон виміру, класи точності.

Конкретні прилади і засоби автоматизації підібрані виходячи з таких міркувань:

1.  Для контролю і регулювання однакових параметрів технологічного процесу необхідно використовувати однотипні засоби автоматизації, які випускаються серійно.
2.  Високий клас точності приладів.

Реалізація системи нагріву, охолодження та зволоження повітря неможлива без програмованого контролера. При виборі сімейства контролерів в першу чергу необхідно враховувати їх надійність в міських умовах експлуатації, кількість спільно працюють програмно‑апаратних засобів, необхідна висока якість виготовлення. Використання промислових контролерів дозволяє швидко виконати проект за рахунок того, що все програмне забезпечення (ПЗ) поставляється разом з модулями, необхідних для виконання поставлених перед нами завдань.

Програми управління записуються в пам’ять контролера і здійснюють управлінський вплив на виконавчі органи.

Обраний напрямок вирішення завдання дозволяє додати елементам САУ нагрівання, охолодження та зволоження повітря такі характеристики:

1.  Стандартизація – використання програмно‑технічних рішень заснованих на існуючих стандартах.
2.  Відкритість – використання відкритих стандартів.
3.  Масштабність – можливість нарощування елементів системи з мінімальними витратами.
4.  Комплексність підходу – створення елемента системи з орієнтацією на загальносистемні цілі.

Работи таких авторів як Е.С. Бондарь, А.С. Гордиенко, В.А. Михайлов, Г.В. Нимич, В.А. Лукас [3–4] дозволяють якісно здійснити вибір технічних елементів.

4. Основні результати досліджень та розробки

4.1. Параметры управління

Для реалізації способу управління установкою кондиціонування необхідно визначити:

1.  Кількість води, що подається в секції.
2.  Кількість вхідного повітря.
3.  Час процесів нагріву, охолодження і зволоження повітря.

Вищеописані параметри розраховуються покладаючись на технічні властивості елементів системи і для секцій такої потужності, як правило, є постійні. Дані параметри взаємопов’язані, данний взаємозв’язок може бути описаний передавальною функцією представленною на малюнку 1.

4.2. Структурна схема системи кондиціонування повітря та її принцип дії

Система автоматичного управління забезпечує підтримку заданих параметрів повітря в приміщенні. система враховує параметри вхідного повітря і зміненого повітря на виході з кожної секції і координує систему, яка, на основі даних значень визначає оптимальність проходження процесу.

Принцип дії системи наступний: при подачі на програмований логічний контролер сигналу про включення системи кондиціонування повітря проводиться активація всіх датчиків і інших елементів, відкривається зовнішня заслонка секції закачування повітря, після чого відбувається закачування повітря за допомогою потужного вентилятора. Відбувається опитування всіх датчиків, проводиться вимірювання температури і вологості повітря навколишнього середовища, в приміщенні і в секціях системи кондиціонування повітря. Інформація про температуру і вологість повітря надходить в програмований логічний контролер, після чого обробляється і при необхідності регулювання, якщо температура або вологість повітря не відповідає заданому значенню яке вводитися оператором, або відповідає заданому режиму роботи (Зима / Літо, День / Ніч), подається регулює сигнал на виконавчий механізм, який відразу ж відкриває клапани для подачі води в трубки на стільки, на скільки потрібно для досягнення необхідної температури і вологості повітря. За температурою і вологою повітря стежать датчики температури TE і датчики вологості ME, на схемі (малюнок 2) вони позначені комплексами D, у кожного комплексу своя нумерація. Починається нагрів, охолодження або зволоження повітря. При досягненні заданої температури і вологості клапан подачі води закривається на стільки на скільки потрібно для підтримання температури та вологості. Надходить сигнал на виконавчі механізми. При цьому змінювати режим роботи, необхідну температуру або вологість повітря можна за допомогою сервера (комп’ютера) або ЛМІ панелі управління, на яких встановлено спеціальне програмне забезпечення. При зміні параметрів, на одному з двох пристроїв, негайно надходить сигнал на контролер, який регулює параметри секцій установки кондиціонування повітря. Зв’язок між контролером, сервером (комп’ютером) і ЛМІ панеллю здійснюється за допомогою Industrial Ethernet. При бажанні можливе підключення через Profibus DP.

4.3. Моделювання системи управління

На даному етапі розглядатися тільки секції нагріву і охолодження, секція зволоження буде розроблятися в подальшому виконанні магістерської роботи. Моделювання системи будимо проводити з урахуванням збурень. До обуренню відноситься температура зовнішнього атмосферного повітря. Задамо вхідний сигнал рівний 25 °C, а як обурення скачок температури в 10 °C. Виходячи з теорії ТАУ і для спрощення аналізу графіків вхідний сигнал візьмемо рівний 1, а обурення рівне 0.3. Відповідно 1 дорівнює 25 °C, а 0.3 дорівнює 30% з 25 °C, що ≈ 10 °C. При моделюванні ми опираємося на тому, що якщо система обробить різкий і великий скачок температури, то з іншими впливами обурення вона так само впораєтся.

Схеми моделювання в пакеті Simulink побудуємо грунтуючись на структурну схему системи управління для секцій нагріву і охолодження повітря.

Виконаємо моделювання для секції підігріву повітря:

Виконаємо моделювання системи при отриманих налаштуваннях регулятора.

Виконаємо моделювання для секції охолодження повітря:

Виконаємо моделювання системи при отриманих налаштуваннях регулятора.

Проаналізуємо вище наведені графіки: на рис. 3, 7 графіках залежностей температури від часу, можемо поспостерігати роботу системи з поданням обуренням. Видно, що перерегулювання становить не більше 10%, що цілком задовольняє вимогам системи при такому різкому стрибку. На графіках можемо спостерігати, що в певний момент часу подавалося зовнішнє обурення, а саме перепад температури навколишнього середовища. Далі на рис. 4, 8 зображені графіки залежностей системи з компенсатором. Проаналізувавши їх спостерігаємо, що перерегулювання так само становить не більше 10% і система впоралась з обуренням належним чином. На графіках рис. 5, 9 ми можемо проаналізувати якість зміни температури на виході з установки. Перерегулювання системи складає не більше 10% і система відмінно впоралася з поставленим завданням.

            

Перед нами стояло завдання по оцінці якості. Обраними вимогами були:

1.  Перерегулювання не більше 20%.
2.  Час перехідного процесу для системи з урахуванням параметрів приміщення не більше 60 хв (3600 сек), для системи без урахування параметрів приміщення не більше 10 хв (600 сек).

Аналізуючи вище представлені графіки можемо зробити висновок, що система повною мірою задовольняє вище перерахованим критеріям якості.

Висновки

В результаті проведеного аналізу режимів роботи системи кондиціонування повітря як об’єкту автоматичного управління сформульовані вимоги до системи управління СКП, відмінною рисою яких є централізація управління і взаємозв’язок всіх секцій установки.

В результаті проведеного аналізу існуючих систем управління секціями установки був обраний локальний тип САУ. Запропоновано новий спосіб автоматичного керування установкою кондиціонування повітря, а саме реалізація обміну даними параметрів повітря між секціями і розрахунок рецептів з урахуванням цих даних.

В роботі обгрунтовані і розроблені технічні рішення по системі управління з використанням програмованого логічного контролера.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: травень 2017 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

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.