ДонНТУ   Портал магистров

Абакумов Андрей Юрьевич

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникации

Специальность «Системы управления и автоматика»

Система автоматического управления жизнеобеспечением спортивного комплекса

Научный руководитель: к.т.н., доц. Федюн Роман Валерьевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Обзор и анализ известных решений по автоматизации систем теплоснабжения
• 2. Анализ объекта автоматзации
• 3. Постановка задач исследования
• 4. Решение поставленных задач и результаты исследований
• Выводы
• Список источников

Введение

Причиной написания данной работы послужила необходимость повышения экономичности систем теплоснабжения. Добиться повышения экономичности можно несколькими способами, один из которых – рациональное использование ресурсов. Использовать ресурсы более рационально позволяет система автоматического управления теплоснабжением. Она позволяет снизить перерасход ресурсов до минимума, а зачастую до нуля.

Экономичность систем теплоснабжения является важной задачей, т.к. она в значительной мере влияет на затраты каждого среднего и крупного предприятия, а следовательно, оказывает влияние и на экономическую ситуацию государства.

Известно, что большинство тепловых пунктов зданий в нашей стране до сих пор присоединено к наружным тепловым сетям по зависимой элеваторной схеме (с помощью нерегулируемых водоструйных насосов). В некоторых системах централизованного теплоснабжения здания подключены непосредственно к тепловым сетям[9].

В данной работе будет рассмотрено создание системы автоматического управления теплоснабжением спортивного комплекса. После проведения анализа объекта управления была принято решение о разбиении объекта на три контура автоматического регулирования. Каждый из контуров выполняет свою задачу, направленную на выполнение общей задачи системы теплоснабжения – поддержание заданной температуры воздуха в помещениях с возможностью регулирования температуры в каждом помещении отдельно.

Система отопления должна работать на высоком качественном уровне, т. е. количество теплоты, подаваемое в каждое помещение здания для поддержания комфортного температурного режима, должно определяться текущей потребностью в соответствии с пожеланиями потребителя[8].

Первая подсистема  стабилизирует на заданном уровне давление в контуре радиаторов, контуре вентиляции и контуре фанкойлов. Для этого изменяется частота вращения вала насоса. Стабилизация давления необходима, так как пользователи могут включать и выключать отдельные радиаторы из системы, что может привести к высокому или, наоборот, к недостаточному давлению в системе.

Вторая подсистема поддерживает заданную температуру в вышеперечисленных контурах. Так как в разное время суток и в разные сезоны температура окружающей среды отклоняется от средней на значительные величины, то для поддержания комфортных условий недостаточно одного значения температуры теплоносителя. Температура должна автоматически поддерживаться на уровне, заданном оператором с пульта управления

Третья подсистема управляет процессом теплообмена в теплообменном аппарате между жидкостью внутри системы теплоснабжения и более горячим теплоносителем, поступающим на объект от энергоцентра.

1. Обзор и анализ известных решений по автоматизации систем теплоснабжения

Автоматизация систем теплоснабжения — использование комплекса автоматических устройств для управления технологическими процессами в системах теплоснабжения. Автоматизация систем теплоснабжения включает регулирование (в частности, стабилизацию) параметров, управление работой оборудования и агрегатов (дистанционное, местное), защиту и блокировку их, контроль и измерение параметров, учет расхода отпускаемых и потребляемых ресурсов, телемеханизацию управления контроля и измерения. А.с.т. обеспечивает высокое качество управления работой отдельных объектов и всей системы теплоснабжения в целом, повышает надежность и уровень эксплуатации систем теплоснабжения, способствует экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов [1].

Мощность системы отопления зависит от внешних и внутренних условий, влияющих на формирование тепловых режимов отапливаемых помещений. Внешние климатические условия определяются наружными климатическими параметрами, которые значительно изменяются как по географическому месту расположения (широта, долгота) объекта строительства, так и по временным параметрам - времени суток, периода года. Для суточных колебаний температуры наружного воздуха характерно сохранение наиболее низких величин в ночные и утренние часы, когда требуется наиболее высокая тепловая мощность системы отопления. Значительно изменяются температуры наружного воздуха по месяцам отопительного периода.

На сегодняшний день задачи автоматизации систем теплоснабжения эффективно решаются за счёт:

- комплексной автоматизации;

- качественной реализации технологического процесса;

- рациональной организации технологических режимов с оптимальной загрузкой технологического оборудования;

- применения технологии частотного регулирования производительности насосных и тягодутьевых агрегатов с управлением по энерго- и ресурсосберегающим алгоритмам[2]. 

С учетом экономических факторов в зависимости от технологических требований регулирование может осуществляться как путем изменения количества теплоносителя, подаваемого в нагревательные приборы в единицу времени, так и изменением температуры теплоносителя при постоянном расходе. При количественном регулировании, однако, трудно достичь разницы между наибольшим и наименьшим потреблением тепла. Кроме того, возникает неравномерность подачи теплоносителя близлежащим потребителям и удаленным от источника тепла. Распространен также смешанный способ количественно-качественного регулирования, при котором в зависимости от конкретных условий преобладает количественное или качественное регулирование[3]. 

Основной частью системы отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя является циркуляционный насос. В этом случае не требуется установка котла в нижней точке системы отопления. В отличие от систем с естественной циркуляцией пропадает и необходимость в трубопроводах большого диаметра. Кроме вышеперечисленных достоинств принудительной циркуляции, значительно сокращается время нагрева отопительных приборов, а это ведет к быстрому повышению температуры воздуха в помещениях.

Основные параметры циркуляционного насоса – это напор и производительность, которые являются зависимыми друг от друга. Напор, создаваемый циркуляционным насосом, должен преодолевать гидравлические сопротивления элементов системы отопления: трубопроводов, радиаторов, фитингов. В случае, если гидравлическое сопротивление системы отопления больше чем напор циркуляционного насоса, насос нужно заменить на другой с более высокими характеристиками.

Система отопления с циркуляционным насосом является закрытой и работает под давлением. Поэтому для ее заполнения используют нагнетающий давление насос, или потребуется подключение системы отопления к системе водопровода с высоким давлением.

Подбор циркуляционного насоса осуществляется программным способом, где в существующем проекте отопления суммируются в паскалях сопротивления всех ее частей, переводятся в метры, учитывается производительность на каждый контур.

Достоинства системы отопления с принудительной циркуляцией:

- для работы не требуются трубы больших диаметров;

- система является более экономичной, поскольку трубы тонкие и за счет этого уменьшаются теплопотери;

-система отопления с циркуляционным насосом позволяет установить автоматику для регулирования температуры в каждой комнате, например, с настенных пультов;

- давление в системе позволяет уменьшить количество и частоту возникновения воздушных пробок.

Циркуляционные насосы чаще всего имеют следующую структуру. Корпус из чугуна, нержавеющей стали, алюминия, (латуни или бронзы для систем горячего водоснабжения) встроен стальной или керамический ротор, на валу которого установлено колесо с лопастями - крыльчатка. Обычно её производят из технополимера. Когда двигатель начинает вращаться, лопасти нагнетают теплоноситель, заставляя его продвигаться по системе.

В настоящее время рынок строительной и инженерной техники предлагает два вида циркуляционных насосов. Первый появился в 50-х годах прошлого века - с «мокрым», погруженным в перекачиваемую среду ротором, второй, более современный, - с «сухим» (его мотор не соприкасается с водой).

Из-за низкого (45%) КПД насосов с «мокрым» ротором, будем рассматривать подробнее насосы с «сухим» ротором, у которых КПД может достигать 70%. Такие насосы активно используют в крупных отопительных системах, где циркулируют большие объемы воды.

Устройства с «сухим» ротором не рекомендуется использовать вхолостую. При долгой работе в холостом режиме насос не перегреется и не выйдет из строя, но пострадает его герметичность[4].

2. Анализ объекта автоматзации

По трубам системы теплоснабжения циркулирует жидкий теплоноситель. С течением времени теплоноситель отдаёт своё тепло воздуху в отапливаемых помещениях. Температуру теплоносителя необходимо повышать до исходного уровня. Повышение температуры воды в системе отопления происходит благодаря теплообмену с горячей водой, циркулирующей по трубопроводу. Нагрев этой горячей воды происходит в теплообменнике, к которому подведены трубы с водой от энергоцентра. Вода из энергоцентра и трубопровода при этом не смешивается. Технологическая схема объекта представлена на рисунке 1.

Регулирующий клапан z1 изменяет количество передаваемой тепловой энергии за счет изменения расхода теплоносителя через теплообменник – он либо открывается, либо закрывается на определённый процент.

Теплоноситель с температурой воды, которую показывает датчик Т1, поступает через регулирующий клапан в теплообменник, где передаёт часть своей тепловой энергии нагреваемой воде и затем возвращается в энергоцентр с пониженной температурой теплоносителя – датчик Т2. Температура воды, поступающей от энергоцентра, не зависит от системы управления и достаточно велика для выполнения своей задачи – нагрева теплоносителя.

Движение воды осуществляется с помощью циркуляционных насосов pump1 и pump2, управление которыми целесообразно осуществлять с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) закона регулирования. Это позволяет получать короткое время переходных процессов и поддерживать давление в системе на заданном уровне.

Для данной задачи можно использовать стандартные электродвигатели со встроенным преобразователем частоты, оборудованные встроенным ПИ контроллером и могут быть настроены под внешний датчик, обеспечивающий регулировку давления

Такие насосы применяются, как правило, в качестве циркуляционных насосов для мощных отопительных систем и систем подачи охлаждающей воды, где необходимо обеспечить переменную подачу, что подходит к нашему случаю.

Количество тепла, передаваемого из трубопровода в отопительный контур, также регулируется с помощью задвижки (z2).

Для контроля функционирования насосов и определения аварийной ситуации на насосах установлен разностный датчик давления d. Если на входе насоса образуется воздушная пробка, разность давлений на входе и выходе возрастёт, и с датчика поступит сигнал на пульт оператора.

Давление в системе показывает датчик давления P.

Значение температуры в контуре отопления снимается с помощью датчика T.

Так как пользователи по своему усмотрению могут включать и отключать радиаторы в помещениях, конфигурация системы будет меняться, и насосы должны подстраиваться так, чтобы давление при этом осталось прежним. Перепады давления при этом относительно небольшие и неопасны для целостности системы. Однако, для дополнительной механической защита от недопустимых перепадов давления в систему можно добавить расширительные ёмкости. В случае возникновения большого давления в системе вода будет давить на мембрану и заполнять ёмкость, уменьшая давление в системе, после чего мембрана вновь вытолкнет воду в систему.

На качество управления будут влиять и внешние факторы – температура окружающей среды. Инерционность зданий в большой степени влияет на результат погодозависимого управления отоплением. Регулятор должен учитывать этот влияющий фактор. Инерционность здания определяется значением постоянной времени здания, которое находится в диапазоне от 10 часов у панельных зданий до 35 часов у кирпичных зданий. Регулятор определяет на основании постоянной времени здания так называемую «комбинированную» температуру наружного воздуха, которая и используется в качестве корректирующего сигнала в автоматической системе регулирования температуры воды на отопление[10].

Исходя из всего вышеприведенного, можно выделить управляющие, управляемые величины и возмущающие воздействия.

Параметрами, с помощью которых система управления может воздействовать на ОУ, могут являться:

- частота вращения насосов;

- процент открытия задвижки перед отопительным контуром.

При этом параметрами ОУ, которые система должна регулировать, являются:

- давление воды в системе отопления;

- температура воды в системе отопления.

В качестве возмущающих воздействий в данной работе будут рассматриваться:

- влияние температуры окружающей среды (температура помещения);

- изменение пользователями конфигурации отопительной системы (включение/отключение радиаторов).

3. Постановка задач исследования

Для создания системы автоматического управления необходимо решить следующие задачи:

- стабилизация на заданном уровне давления путём управления частотой вращения вала насосов.;

- распределение нагрузки между двумя насосами с целью увеличения срока службы;

- стабилизация на заданном уровне температуры теплоносителя в контуре радиаторов. Стабилизация осуществляется с помощью управляемой задвижки, которую открывает/закрывает привод;

- стабилизация на заданном уровне температуры теплоносителя в нагревательном теплообменнике. К теплообменнику извне поступает горячая вода фиксированной температуры (от энергоцентра). Стабилизация осуществляется с помощью управляемой задвижки, которую открывает/закрывает привод.

4. Решение поставленных задач и результаты исследований

Построим математическую модель САУ давлением в отопительной системе.

На основании приведенной схемы объекта, исходя из поставленных задач, получена следующая структурная схема (рисунок 2) :

Объектом регулирования САУ давлением в отопительной системе являются отопительные радиаторы, соединённые с системой и между собой трубами. Входным параметром является давление Qн , нагнетаемое насосами, выходным – давление в самой системе радиаторов Qтр. Возмущающим воздействием является изменение параметров объекта регулирования (обозначим как воздействие G) , т.к. пользователи могут включать или выключать некоторые радиаторы для поддержания комфортной температуры, тем самым включая или исключая отдельные компоненты из общего контура.

Насос характеризуется частотой вращения ротора f на входе и давлением воды на выходе Qн. В контуре предусмотрено использование двух насосов для улучшения надёжности системы и повышения срока эксплуатации насосов. Но, так как в каждый момент времени может быть задействован только один насос, и параметры насосов абсолютно одинаковы, для построения модели можно использовать упрощённый контур с одним насосом.

Так как в данной системе насос представляет собой инерционный объект, в качестве передаточной функции насоса можно взять передаточную функцию апериодического звена первого порядка вида:

где Кн – коэффициент передачи насоса;

T - постоянная времени насоса, зависящая от конструкции и режима работы насоса.

Для выбранного типа насосов эти значения 0.75 и 4 соответственно[5].

Систему труб выбранной длины можно промоделировать как инерционное звено первого порядка с постоянной времени примерно 25 секунд.