Математическая модель систем вентиляции. Математическая модель теплового режима помещений при лучистом отоплении. Приточный и вытяжные центробежные вентиляторы

В работе рассматриваются процессы моделирования вентиляции и рассеивания её выбросов в атмосфере. Моделирование основано на решении системы уравнений Навье-Стокса, законах сохранения массы, импульса, теплоты. Рассмотрены различные аспекты численного решения данных уравнений. Предложена система уравнений, позволяющая рассчитать значение фонового коэффициента турбулентности. Для гипозвукового приближения предложено решение совместно с приведенными в статье уравнениями гидрогазодинамики уравнения стояния идеального реального газа и пара. Данное уравнение является модификацией уравнения Ван-дер-Ваальса и более точно учитывает размеры молекул газа или пара и их взаимодействие. На основании условия термодинамической устойчивости получено соотношение, которое позволяет исключить физически неосуществимые корни при решении уравнения относительно объёма. Производится анализ известных расчётных моделей и вычислительных пакетов гидрогазодинамики.

моделирование

вентиляция

турбулентность

уравнения тепломассопереноса

уравнение состояния

реальный газ

диссипация

1. Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.

2. Беляев Н. Н. Моделирование процесса рассеивания токсичного газа в условиях застройки // Вестник ДИИТ. - 2009. - № 26 - С. 83-85.

3. Бызова Н. Л. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси / Н. Л. Бызова, Е. К. Гаргер, В. Н. Иванов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 351 с.

4. Дацюк Т. А. Моделирование рассеивания вентиляционных выбросов. - СПб: СПБГАСУ, 2000. - 210 с.

5. Сауц А. В. Применение алгоритмов когнитивной графики и методов математического анализа для изучения термодинамических свойств изобутана R660A на линии насыщения: Грант № 2С/10: отчет о НИР (заключит.) / ГОУВПО СПБГАСУ; рук. Горохов В.Л., исп.: Сауц А.В.- СПб, 2011.- 30 с.: ил.- Библиогр.: с. 30.- №ГР 01201067977.-Инв. №02201158567.

При проектировании производственных комплексов и уникальных объектов должны быть всесторонне обоснованы вопросы, связанные с обеспечением качества воздушной среды и нормируемых параметров микроклимата. Учитывая высокую цену изготовления, монтажа и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха, к качеству инженерных расчетов предъявляются повышенные требования. Для выбора рациональных проектных решений в области вентиляции необходимо иметь возможность проанализировать ситуацию в целом, т.е. выявить пространственную взаимосвязь динамических процессов, происходящих внутри помещений и в атмосфере. Оценить эффективность вентиляции, которая зависит не только от количества воздуха, подаваемого в помещение, но и от принятой схемы воздухораспределения и концентрации вредных веществ в наружном воздухе в местах расположения воздухозаборов.

Цель статьи - использование аналитических зависимостей, с помощью которых выполняются расчеты количества вредных выделений, определить размеры каналов, воздуховодов, шахт и выбор способа обработки воздуха и т.д. При этом целесообразно использовать программный продукт «Поток» с модулем «VSV». Для подготовки исходных данных необходимо наличие схем проектируемых вентиляционных систем с указанием длин участков и расходов воздуха на концевых участках. Входными данными для расчета являются описание систем вентиляции и требования, предъявляемые к ней. Используя математическое моделирование, решаются следующие вопросы:

• выбор оптимальных вариантов подачи и удаления воздуха;
• распределение параметров микроклимата по объему помещений;
• оценка аэродинамического режима застройки;
• выбор мест для воздухозабора и удаления воздуха.

Поля скорости, давления, температуры, концентраций в помещении и атмосфере формируются под действием множества факторов, совокупность которых учесть в инженерных методах расчета достаточно сложно без применения ЭВМ.

Применение математического моделирования в задачах вентиляции и аэродинамики основано на решении системы уравнений Навье - Стокса.

Для моделирования турбулентных потоков необходимо решать систему уравнений сохранения массы и Рейнольдса (сохранения импульса):

(2)

где t - время, X = X i , j , k - пространственные координаты, u =u i , j , k - компоненты вектора скорости, р - пьезометрическое давление, ρ - плотность, τ ij - компоненты тензора напряжений, s m - источник массы, s i - компоненты источника импульса.

Тензор напряжений выражается в виде:

(3)

где s ij - тензор скоростей деформации; δ ij - тензор дополнительных напряжений, возникающих из-за наличия турбулентности.

Для получения информации о полях температуры Т и концентрации с вредных веществ система дополняется следующими уравнениями:

уравнение сохранения количества тепла

уравнение сохранения пассивной примеси с

(5)

где C р - коэффициент теплоёмкости, λ - коэффициент теплопроводности, k = k i , j , k - коэффициент турбулентности.

Базовый коэффициент турбулентности k баз определяется с помощью системы уравнений:

(6)

где k ф - фоновый коэффициент турбулентности, k ф =1-15 м 2 /с; ε = 0,1-04;

Коэффициенты турбулентности определяются с помощью уравнений:

(7)

На открытой территории при малой диссипации значение k z определяется по уравнению:

k k = k 0 z /z 0 ; (8)

где k 0 - значение k k на высоте z 0 (k 0 = 0,1 м 2 /с при z 0 = 2 м).

На открытой площадке профиль скоростей ветра не деформирован, т.е.

При неизвестной стратификации атмосферной на открытой площадке профиль скоростей ветра можно определить:

; (9)

где z 0 - заданная высота (высота флюгера); u 0 - скорость ветра на высоте z 0 ; B = 0,15.

При соблюдении условии (10) локальный критерий Ричардсона Ri определяется как:

(11)

Продифференцируем уравнение (9), приравняем уравнения (7) и (8), оттуда выразим k баз

(12)

Приравняем уравнение (12) с уравнениями системы (6). В полученное равенство подставим (11) и (9), в окончательном виде получим систему уравнений:

(13)

Пульсационный член , следуя идеям Буссинеска, представляется в виде:

(14)

где μ t - турбулентная вязкость, а дополнительные члены в уравнениях переноса энергии и компоненты примеси моделируются следующим образом:

(15)

(16)

Замыкание системы уравнений происходит с помощью одной из моделей турбулентности, описанных ниже.

Для турбулентных потоков, изучаемых в вентиляционной практике, целесообразно использовать или гипотезу Буссинеска о малости изменений плотности, или так называемое «гипозвуковое» приближение. Напряжения Рейнольдса считаются пропорциональными осредненным по времени скоростям деформаций. Вводится коэффициент турбулентной вязкости , данная концепция выражается как:

. (17)

Коэффициент эффективной вязкости вычисляется как сумма молекулярного и турбулентного коэффициентов:

(18)

«Гипозвуковое» приближение предполагает решение совместно с приведенными выше уравнениями уравнения стояния идеального газа:

ρ = p /(RT) (19)

где p - давление в окружающей среде; R - газовая постоянная.

Для более точных расчётов плотность примеси можно определить, используя модифицированное уравнение Ван-дер-Ваальса для реальных газов и паров

(20)

где константы N и M - учитывают ассоциацию/диссоциацию молекул газа или пара; а - учитывает прочее взаимодействие; b " - учитывающая размеры молекул газа; υ=1/ρ.

Выделяя из уравнения (12) давление р и дифференцируя его по объёму (учёт термодинамической устойчивости) получится следующее соотношение:

. (21)

Такой подход позволяет значительно сократить время расчетов по сравнению со случаем использования полных уравнений для сжимаемого газа без снижения точности полученных результатов. Аналитического решения приведенных выше уравнений не существует. В связи с этим используются численные методы.

Для решения вентиляционных задач, связанных с переносом турбулентным потоком скалярных субстанций, при решении дифференциальных уравнений используют схему расщепления по физическим процессам. Согласно принципам расщепления конечно-разностное интегрирование уравнений гидродинамики и конвективно-диффузного переноса скалярной субстанции на каждом шаге по времени Δt осуществляется в два этапа. На первом этапе рассчитываются гидродинамические параметры. На втором этапе на основе рассчитанных гидродинамических полей решаются уравнения диффузии.

Влияние переноса тепла на формирование поля скоростей воздуха учитывается с помощью приближения Буссинеска: в уравнение движения для вертикальной компоненты скорости вводится дополнительный член, учитывающий силы плавучести.

Для решении задач турбулентного движения жидкости известно четыре подхода:

• прямое моделирование «DNS» (решение нестационарных уравнений Навье - Стокса);
• решение осредненных уравнений Рейнольдса «RANS», система которых, однако, незамкнута и нуждается в дополнительных замыкающих соотношениях;
• метод крупных вихрей «LES» , который основан на решении нестационарных уравнений Навье - Стокса с параметризацией вихрей подсеточного масштаба;
• метод «DES», который является комбинацией двух методов: в зоне отрывных течений - «LES», а в области «гладкого» потока - «RANS».

Наиболее привлекательным с точки зрения точности получаемых результатов, бесспорно, является метод прямого численного моделирования. Однако в настоящее время возможности вычислительной техники еще не позволяют решать задачи с реальными геометрией и числами Re , и с разрешением вихрей всех размеров. Поэтому при решении широкого спектра инженерных задач применяют численные решения уравнений Рейнольдса.

В настоящее время успешно применяются для моделирования задач вентиляции сертифицированные пакеты, такие как «STAR-CD», «FLUENT» или «ANSYS/FLOTRAN». При правильно сформулированной задаче и рациональном алгоритме решения получаемый объем информации позволяет на стадии проектирования выбрать оптимальный вариант, но выполнение расчетов с использованием данных программ требует соответствующей подготовки, и некорректное их использование может привести к ошибочным результатам.

В качестве «базового варианта» можно рассматривать результаты общепризнанных балансовых методов расчета, которые позволяют сравнить интегральные величины, характерные для рассматриваемой задачи.

Одним из важных моментов при использовании универсальных программных комплексов для решения задач вентиляции является выбор модели турбулентности. К настоящему времени известно большое количество различных моделей турбулентности, которые применяются для замыкания уравнений Рейнольдса. Модели турбулентности классифицируются по числу параметров для характеристик турбулентности, соответственно однопараметрические, двух- и трехпараметрические.

Большинство полуэмпирических моделей турбулентности, так или иначе, используют «гипотезу локальности механизма турбулентного переноса», согласно которой механизм турбулентного переноса импульса полностью определяется заданием локальных производных от осредненных скоростей и физических свойств жидкости. Влияние процессов, происходящих вдали от рассматриваемой точки, данная гипотеза не учитывает.

Наиболее простыми являются однопараметрические модели, использующие концепцию турбулентной вязкости «n t », а турбулентность предполагается изотропной. Модифицированный вариант модели «n t -92» рекомендуется при моделировании струйных и отрывных течений. Хорошее совпадение с результатами эксперимента дает также однопараметрическая модель «S-A» (Спаларта - Альмараса), которая содержит уравнение переноса для величины .

Недостаток моделей с одним уравнением переноса связан с тем, что в них отсутствует информация о распределении масштаба турбулентности L . На величину L оказывают влияние процессы переноса, способы формирования турбулентности, диссипация турбулентной энергии. Универсальной зависимости для определения L не существует. Уравнение для масштаба турбулентности L часто оказывается именно тем уравнением, которое определяет точность модели и, соответственно, область её применимости. В основном область применения этих моделей ограничивается относительно простыми сдвиговыми течениями.

В двухпараметрических моделях, кроме масштаба турбулентности L , используют в качестве второго параметра скорость диссипации турбулентной энергии. Такие модели наиболее часто используются в современной вычислительной практике и содержат уравнения переноса энергии турбулентности и диссипации энергии.

Хорошо известна модель, включающая уравнения для переноса энергии турбулентности k и скорости диссипации турбулентной энергии ε. Модели типа «k - e» могут использоваться как для пристеночных течений, так и для более сложных отрывных течений.

Двухпараметрические модели используются в низко- и высокорейнольдсовой версии. В первой - механизм взаимодействия молекулярного и турбулентного переноса вблизи твердой поверхности учитывается непосредственно. В высокорейнольдсовой версии механизм турбулентного переноса вблизи твердой границы описывается специальными пристеночными функциями, которые связывают параметры потока с расстоянием до стенки.

В настоящее время к числу наиболее перспективных относят модели «SSG» и «Gibson-Launder», где используется нелинейная связь тензора турбулентных напряжений Рейнольдса и тензора осредненных скоростей деформаций. Они разрабатывались для улучшения прогнозирования отрывных течений. Поскольку в них рассчитываются все компоненты тензоров, они требуют больших компьютерных ресурсов по сравнению с двухпараметрическими моделями.

Для сложных отрывных течений некоторые преимущества выявило применение однопараметрических моделей «n t -92», «S-А» по точности предсказания параметров течения и по скорости счета по сравнению с двухпараметрическими моделями.

Например, в программе «STAR-CD» предусмотрено использование моделей типа «k- e», Спаларта - Альмараса, «SSG», «Gibson-Launder», а также метод крупных вихрей «LES», и метод «DES». Два последних метода лучше подходят для расчета движения воздуха в условиях сложной геометрии, где будут возникать многочисленные отрывные вихревые области, но они требуют больших вычислительных ресурсов.

Результаты расчетов значительно зависят от выбора расчетной сетки. В настоящее время используются специальные программы для построения сеток. Ячейки сетки могут иметь разную форму и размеры, наилучшим образом подходящие для решения конкретной задачи. Наиболее простой вид сетки, когда ячейки одинаковы и имеют кубическую или прямоугольную форму. Универсальные вычислительные программы, применяемые сейчас в инженерной практике, позволяют работать на произвольных неструктурированных сетках.

Для выполнения расчетов численного моделирования задач вентиляции необходимо задание граничных и начальных условий, т.е. значений зависимых переменных или их нормальных градиентов на границах расчетной области.

Задание с достаточной степенью точности геометрических особенностей исследуемого объекта. Для этих целей можно рекомендовать для построения трехмерных моделей такие пакеты, как «SolidWorks», «Pro/Engeneer», «NX Nastran». При построении расчетной сетки количество ячеек выбирается так, чтобы получить достоверное решение при минимальном времени расчета. Выбрать следует одну из полуэмпирических моделей турбулентности, являющейся наиболее эффективной для рассматриваемого течения.

В заключение добавим, что необходимо хорошее понимание качественной стороны происходящих процессов, чтобы корректно сформулировать граничные условия задачи и оценить достоверность результатов. Моделирование вентиляционных выбросов на стадии проектирования объектов можно рассматривать как один из аспектов информационного моделирования, направленного на обеспечении экологической безопасности объекта.

Рецензенты:

• Воликов Анатолий Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры теплогазоснабжения и охраны воздушного бассейна, ФГБОУ ВПОУ «СПБГАСУ», г. Санкт-Петербург.
• Полушкин Виталий Иванович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, ФГБОУ ВПО «СПбГАСУ», г. Санкт-Петербург.

Библиографическая ссылка

Прогнозирование теплового режима в обслуживаемых зонах является многофакторной задачей. Известно, что тепловой режим создаётся с помощью систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Однако при проектировании систем отопления не учитывается воздействие воздушных потоков, создаваемых остальными системами. Отчасти это обосновано тем, что влияние воздушных потоков на тепловой режим может быть незначительным при нормативной подвижности воздуха в обслуживаемых зонах.

Применение систем лучистого отопления требует новых подходов. Сюда относятся необходимость выполнения норм облучённости человека на рабочих местах и учёт распределения лучистого тепла по внутренним поверхностям ограждающих конструкций. Ведь при лучистом отоплении преимущественно нагреваются эти поверхности, которые, в свою очередь, отдают тепло в помещение конвекцией и излучением. Именно за счёт этого поддерживается необходимая температура внутреннего воздуха.

Как правило, для большинства видов помещений наряду с системами отопления требуется устройство систем вентиляции. Так, при использовании систем газового лучистого отопления помещение должно быть оборудовано системами вентиляции. Минимальный воздухообмен помещений с выделением вредных газов и паров оговорён СП 60.13330.12. Отопление вентиляция и кондиционирование воздуха и составляет не менее однократного, а при высоте более 6 м — не менее 6 м 3 на 1 м 2 площади пола. Кроме того, производительность систем вентиляции определяется также назначением помещений и рассчитывается из условий ассимиляции тепло- или газовыделений или компенсации местных отсосов. Естественно, величина воздухообмена должна проверяться и на условие ассимиляции продуктов сгорания. Компенсация объёмов удаляемого воздуха осуществляется системами приточной вентиляции. При этом существенная роль в формировании теплового режима в обслуживаемых зонах принадлежит приточным струям и вносимой ими теплоте.

Метод исследования и результаты

Таким образом, возникает необходимость разработки приближённой математической модели сложных процессов тепло- и массообмена, происходящих в помещении при лучистом отоплении и вентиляции. Математическая модель представляет собой систему уравнений воздушно-тепловых балансов для характерных объёмов и поверхностей помещения .

Решение системы позволяет определить параметры воздуха в обслуживаемых зонах при различных вариантах размещения приборов лучистого отопления с учётом влияния систем вентиляции.

Построение математической модели рассмотрим на примере производственного помещения, оборудованного системой лучистого отопления и не имеющего других источников тепловыделений. Тепловые потоки от излучателей распределяются следующим образом. Конвективные потоки поднимаются в верхнюю зону под перекрытие и отдают тепло внутренней поверхности. Лучистая составляющая теплового потока излучателя воспринимается внутренними поверхностям наружных ограждающих конструкций помещения. В свою очередь эти поверхности отдают тепло конвекцией внутреннему воздуху и излучением — другим внутренним поверхностям. Часть тепла передаётся через наружные ограждающие конструкции наружному воздуху. Расчётная схема теплообмена приведена на рис. 1а.

Построение матмодели рассмотрим на примере производственного помещения, оборудованного системой лучистого отопления и не имеющего других источников тепловыделений. Конвективные потоки поднимаются в верхнюю зону под перекрытие и отдают тепло внутренней поверхности. Лучистая составляющая теплового потока излучателя воспринимается внутренними поверхностям наружных ограждающих конструкций помещения

Далее рассмотрим построение схемы циркуляции воздушных потоков (рис. 1б). Примем схему организации воздухообмена «сверху-вверх». Воздух подаётся в количестве М пр в направлении обслуживаемой зоны и удаляется из верхней зоны с расходом М в = М пр. На уровне верха обслуживаемой зоны расход воздуха в струе составляет М стр. Прирост расхода воздуха в приточной струе происходит за счёт циркуляционного воздуха, отсоединяющегося от струи.

Введём условные границы потоков — поверхностей, на которых скорости имеют только нормальные к ним составляющие. На рис. 1б границы потоков показаны штриховой линией. Затем выделим расчётные объёмы: обслуживаемая зона (пространство с постоянным пребыванием людей); объёмы приточной струи и пристенных конвективных потоков. Направление пристенных конвективных потоков зависит от соотношения температур внутренней поверхности наружных ограждающих конструкций и окружающего воздуха. На рис. 1б приведена схема с ниспадающим пристенным конвективных потоком.

Итак, температура воздуха в обслуживаемой зоне t wz формируется в результате смешивания воздуха приточных струй, пристенных конвективных потоков и поступлений конвективного тепла от внутренних поверхностей пола и стен.

С учётом разработанных схем теплообмена и циркуляции воздушных потоков (рис. 1) составим уравнения тепловоздушных балансов для выделенных объёмов:

Здесь с — теплоёмкость воздуха, Дж/(кг·°С); Q от — мощность системы газового лучистого отопления, Вт; Q с и Q * с — конвективная теплоотдача у внутренних поверхностей стены в пределах обслуживаемой зоны и стены выше обслуживаемой зоны, Вт; t стр, t c и t wz — температуры воздуха в приточной струе на входе в рабочую зону, в пристенном конвективном потоке и в рабочей зоне, °C; Q тп — теплопотери помещения, Вт, равные сумме потерь тепла через наружные ограждающие конструкции:

Расход воздуха в приточной струе на входе в обслуживаемую зону рассчитывается с использованием зависимостей, полученных М. И. Гримитлиным .

Например, для воздухораспределителей, создающих компактные струи, расход в струе равен:

где m — коэффициент затухания скорости; F 0 — площадь сечения входного патрубка воздухораспределителя, м 2 ; x — расстояние от воздухораспределителя до места входа в обслуживаемую зону, м; К н — коэффициент неизотермичности.

Расход воздуха в пристенном конвективном потоке определяется по :

где t с — температура внутренней поверхности наружных стен, °C.

Уравнения теплового баланса для граничных поверхностей имеют вид:

Здесь Q c , Q * c , Q пл и Q пт — конвективная теплоотдача у внутренних поверхностей стены в пределах обслуживаемой зоны — стены выше обслуживаемой зоны, пола и покрытия, соответственно; Q тп.с, Q * тп.с, Q тп.пл, Q тп.пт — теплопотери через соответствующие конструкции; W с, W * c , W пл, W пт — лучистые тепловые потоки от излучателя, поступающие на эти поверхности. Конвективная теплоотдача определяется по известной зависимости:

где m J — коэффициент, определяемый с учётом положения поверхности и направления теплового потока; F J — площадь поверхности, м 2 ; Δt J — разность температур поверхности и окружающего воздуха, °C; J — индекс вида поверхности.

Теплопотери Q тJ можно выразить как

где t н — температура наружного воздуха, °C; t J — температуры внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций, °C; R и R н — сопротивления термическое и теплоотдаче наружного ограждения, м 2 ·°С/Вт.

Получена матмодель процессов тепло- и массообмена при совместном действии лучистого отопления и вентиляции. Результаты решения позволяют получить основные характеристики теплового режима при проектировании систем лучистого отопления зданий различного назначения, оборудованных системами вентиляции

Лучистые тепловые потоки от излучателей систем лучистого отопления Wj рассчитываются через взаимные площади излучения по методике для произвольной ориентации излучателей и окружающих поверхностей:

где с 0 — коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, Вт/(м 2 ·К 4); ε IJ — приведённая степень черноты участвующих в теплообмене поверхностей I и J ; H IJ — взаимная площадь излучения поверхностей I и J , м 2 ; T I — средняя температура излучающей поверхности, определяемая из теплового баланса излучателя, К; T J — температура тепловоспринимающей поверхности, К.

При подстановке выражений для тепловых потоков и расходов воздуха в струях получаем систему уравнений, являющихся приближенной математической моделью процессов тепло- и массообмена при лучистом отоплении. Для решения системы могут быть использованы стандартные компьютерные программы.

Получена математическая модель процессов тепло- и массообмена при совместном действии лучистого отопления и вентиляции. Результаты решения позволяют получить основные характеристики теплового режима при проектировании систем лучистого отопления зданий различного назначения, оборудованных системами вентиляции.

Уважаемые члены аттестационной комиссии, представляю вашему вниманию выпускную квалификационную работу, цель которой - разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов.

Известно, что автоматизация - один из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве, роста качества продукции и услуг. Постоянное расширение сферы автоматизации является одной из главных особенностей промышленности на данном этапе. Разрабатываемый дипломный проект является одной из идей наследования развивающейся концепции построения «интеллектуальных» зданий, то есть объектов, в которых условия жизнедеятельности человека контролируются техническими средствами.

Основные задачи, решаемые в проектирования - модернизация существующей на объекте внедрения - производственных цехах ОАО «ВОМЗ» - системы вентилирования воздуха для обеспечения ее экономичности (экономия по расходу энерго- и теплоресурсов, сокращение затрат на обслуживание системы, уменьшение времени простоя), поддержанию комфортного микроклимата и чистоты воздуха в рабочих зонах, работоспособности и устойчивости, надежности работы системы в аварийных/критичных режимах.

Проблема, рассматриваемая в дипломном проекте, обусловлена моральным и техническим устареванием (износом) существующей системы управления ПВВ. Распределенный принцип, примененный при построении ПВВ исключает возможность централизованного управления (запуска и мониторинга состояния). Отсутствие четкого алгоритма пуска/останова системы также делает систему ненадежной вследствие человеческих ошибок, а отсутствие аварийных режимов работы - неустойчивой по отношению к решаемым задачам.

Актуальность проблемы дипломного проектирования обусловлена общим ростом заболеваемости дыхательных путей и простудных заболеваний рабочих, общим падением производительности труда и качества выпускаемой продукции на данном участке. Разработка новой САУ ПВВ напрямую связана с политикой завода в области качества (ISO 9000), а также с программами модернизации заводского оборудования и автоматизации систем жизнеобеспечения цехов.

Центральным управляющим элементом системы является шкаф автоматики с микроконтроллером и аппаратурой, выбранный по результатам маркетингового исследования (плакат 1). Существует множество рыночных предложений, однако выбранное оборудование является как минимум не хуже своих аналогов. Немаловажным критерием выступала и стоимость, энергопотребление и защитное исполнение оборудования.

Функциональная схема автоматизации ПВВ приведена на чертеже 1. В качестве основного при проектировании САУ выбран централизованный подход, позволяющий мобильно привести систему в случае необходимости к реализации согласно смешанному подходу, подразумевающему возможность диспетчеризации и связей с другими промышленными сетями. Централизованный подход является хорошо масштабируемым, достаточно гибким - все эти качественные свойства определяются выбранным микроконтроллером - WAGO I/O System, а также реализацией управляющей программы.

В ходе проектирования были выбраны элементы автоматизации - исполнительные механизмы, датчики, критерием выбора выступали функциональность, устойчивость работы в критических режимах, диапазон измерения/контроля параметра, особенности монтажа, форма выдачи сигнала, режимы работы. Выбраны главные математические модели и промоделирована работа системы регулирования температуры воздуха с управлением положением заслонки трехходового клапана. Моделирование проводилось в среде VisSim.

Для регулирования был выбран метод «балансировки параметра» в области контролируемых значений. В качестве закона регулирования выбран пропорциональный, так как не предъявляется высоких требований к точности и быстродействию системы, а диапазоны изменения входной/выходной величин небольшие. Функции регулятора выполняет один из портов контроллера в соответствии с управляющей программой. Результаты моделирования данного блока представлены на плакате 2.

Алгоритм работы системы представлен на чертеже 2. Реализующая данный алгоритм управляющая программа по структуре состоит из функциональных блоков, блока констант, используются стандартные и специализированные функции. Гибкость и масштабируемость системы обеспечивается как программно (использование ФБ, констант, меток и переходов,компактность программы в памяти контроллера), так и технически (экономное использование портов ввода/вывода, резервные порты).

Программно предусмотрены действия системы в аварийных режимах (перегрев, поломка вентилятора. переохлаждение, засорение фильтра. пожар). Алгоритм действия системы в режиме противопожарной защиты представлен на чертеже 3. Данный алгоритм учитывает требования стандартов по времени эвакуации и действиях ПВВ при пожаре. В целом, применение данного алгоритма эффективно и доказано испытаниями. Также была решена задача модернизации вытяжных зонтов в плане пожаробезопасности. Найденные решения были рассмотрены и приняты как рекомендательные.

Надежность спроектированной системы целиком зависит от надежности программного обеспечения и от контроллера в целом. Разработанная управляющая программа была подвергнута процессу отладки, ручному, структурному и функциональному тестированию. Для обеспечения надежности и соблюдения условий гарантии на оборудование автоматизации выбирались только рекомендованные и сертифицированные агрегаты. Гарантия производителя на выбранный шкаф автоматики при условии соблюдений гарантийных обязательств - 5 лет.

Также была разработана обобщенная структура системы, построена тактовая циклограмма работы системы, сформирована таблица соединений и маркировка кабелей, схема монтажа САУ.

Экономические показатели проекта, рассчитанные мной в организационно-экономической части изображены на плакате №3. На этом же плакате отображен ленточный график процесса проектирования. Для оценки качества управляющей программы использовались критерии согласно ГОСТ РИСО/МЭК 926-93. Оценка экономической эффективности разработки выполнялась с помощью SWOT-анализа. Очевидно, что проектируемая система обладает невысокой себестоимостью (структура затрат - плакат 3) и достаточно быстрыми сроками окупаемости (при расчетах с использованием минимальных величин экономии). Таким образом, можно заключить о высокой экономической эффективности разработки.

Кроме того, были решены вопросы охраны труда, обеспечения электробезопасности и экологичности системы. Обоснован выбор токопроводящих кабелей, фильтров воздуховодов.

Таким образом, в результате выполнения дипломной работы разработан проект модернизации, оптимальный по отношению ко всем поставленным требованиям. Данный проект рекомендован к внедрению согласно срокам модернизации заводского оборудования.

Если экономичность и качество проекта будут подтверждены испытательным сроком, планируется реализация диспетчерского уровня с использованием локальной сети предприятия, а также модернизация вентиляции остальных производственных помещений с целью объединения их в единую промышленную сеть. Соответственно, к данным этапам относится разработка программного обеспечения диспетчера, ведение журналов состояния системы, ошибок, аварий (БД), организация АРМ или контрольного поста управления (КПУ) Возможно распространение проектных решений для решения задач управления воздушно-тепловыми завесами цехов. Также возможна отработка слабых мест существующей системы, таких как модернизация очистных агрегатов, а также доработка воздухозаборных клапанов механизмом от замерзания.

Аннотация

Дипломный проект включает введение, 8 разделов, заключение, список использованных источников, приложения и составляет 141 страницу машинописного текста с иллюстрациями.

В первом разделе приводится обзор и анализ необходимости проектирования системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией (САУ ПВВ) производственных цехов, маркетинговое исследование шкафов автоматики. Рассматриваются типовые схемы вентиляции и альтернативные подходы к решению задач дипломного проектирования.

Во втором разделе дается описание существующей системы ПВВ на объекте внедрения - ОАО «ВОМЗ», как технологического процесса. Формируется обобщенная структурная схема автоматизации по технологическому процессу подготовки воздуха.

В третьем разделе сформулировано расширенное техническое предложение по решению задач дипломного проектирования.

Четвертый раздел посвящен разработке САУ ПВВ. Выбраны элементы автоматизации и управления, представлены их технические и математические описания. Описан алгоритм регулирования температуры приточного воздуха. Сформирована модель и проведено моделирование работы САУ ПВВ по поддержанию температуры воздуха в помещении. Выбрана и обоснована электрическая проводка. Построена тактовая циклограмма работы системы.

В пятом разделе приведены технические характеристики программируемого логического контроллера (ПЛК) WAGO I/O System. Приведены таблицы соединений датчиков и исполнительных устройств с портами ПЛК, в т.ч. и виртуальными.

Шестой раздел посвящен разработке алгоритмов функционирования и написанию управляющей программы ПЛК. Обоснован выбор среды программирования. Приведены блок-алгоритмы отработки системой аварийных ситуаций, блок-алгоритмы функциональных блоков, решающих задачи запуска, управления и регулирования. В раздел включены результаты тестирования и отладки управляющей программы ПЛК.

В седьмом разделе рассматривается безопасность и экологичность проекта. Проводится анализ опасных и вредных факторов при эксплуатации САУ ПВВ, приводятся решение по охране труда и обеспечении экологичности проекта. Разрабатывается защита системы от аварийных ситуаций, в т.ч. усиление системы в плане пожарозащищенности и обеспечения устойчивости функционирования при чрезвычайных ситуациях. Приведена разработанная принципиальная функциональная схема автоматизации со спецификацией.

Восьмой раздел посвящен организационно-экономическому обоснованию разработки. Приводится расчет себестоимости, экономичности и сроков окупаемости проектной разработки, в т.ч. с учетом этапа внедрения. Отражены стадии разработки проекта, оценена трудоемкость работ. Приведена оценка экономической эффективности проекта с использованием SWOT-анализа разработки.

В заключении приведены выводы по дипломному проекту.

Введение

Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве. Непрерывным условием ускорения темпов роста автоматизации является развитие технических средств автоматизации. К техническим средствам автоматизации относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих и регулирующих воздействий на технологический объект управления.

Развития технологических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат интересы автоматизируемых производств потребителей, с одной стороны и экономические возможности предприятий - изготовителей с другой. Первичным стимулом развития является повышение эффективности работы производств - потребителей, за счет внедрения новой техники могут быть целесообразными только при условии быстрой окупаемости затрат. Поэтому критерием всех решений по разработкам и внедрению новых средств, должен быть суммарный экономический эффект, с учетом всех затрат на разработку, производство и внедрение. Соответственно к разработке, изготовлению следует принимать, прежде всего, те варианты технических средств, которые обеспечиваю максимум суммарного эффекта.

Постоянное расширение сферы автоматизации является одной из главных особенностей промышленности на данном этапе.

Особое внимание уделяется вопросам промышленной экологии и безопасности труда производства. При проектировании современной технологии, оборудования и конструкций необходимо научно обосновано подходить к разработке безопасности и безвредности работ.

На современном этапе развития народного хозяйства страны одной из основных задач является повышение эффективности общественного производства на основе научно-технического процесса и более полное использования всех резервов. Эта задача неразрывно связана с проблемой оптимизации проектных решений, цель которых заключается в создании необходимых предпосылок для повышения эффективности капиталовложений, сокращения сроков их окупаемости и обеспечения наибольшего прироста продукции на каждый затраченный рубль. Повышение производительности труда, выпуск качественной продукции, улучшение условий труда и отдыха трудящихся обеспечивают системы вентиляции воздуха, которые создают необходимый микроклимат и качество воздушной среды в помещениях.

Цель дипломного проекта - разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией (САУ ПВВ) производственных цехов.

Проблема, рассматриваемая в дипломном проекте, обусловлена износом существующей на ОАО «Вологодский оптико-механический завод» системы автоматики ПВВ. Кроме того, система спроектирована распределенно, что исключает возможность централизованного управления и мониторинга. В качестве объекта внедрения выбран участок литья под давлением (В-категория по пожаробезопасности), а также прилегающие к нему помещения - участок станков ЧПУ, планово-диспетчерское бюро, склады.

Задачи дипломного проекта сформулированы в результате исследования текущего состояния САУ ПВВ и на основании аналитического обзора, приведены в разделе 3 «Техническое предложение».

Использование управляемой вентиляции открывает новые возможности для решения поставленных выше задач. Разрабатываемая система автоматического управления должна быть оптимальной в отношении выполнения обозначенных функций.

Как уже было отмечено выше, актуальность разработки обусловлена как устареванием существующей САУ ПВВ, увеличением количества ремонтных работ на вентиляционных «трассах», так и общим ростом заболеваемости дыхательных путей и простудных заболеваний рабочих, тенденцией ухудшения самочувствия при долгих работах, и, как следствие, общим падением производительности труда и качества производимой продукции. Немаловажно отметить тот факт, что существующая САУ ПВВ не связана с пожарной автоматикой, что является недопустимым для подобного рода производств. Разработка новой САУ ПВВ напрямую связана с политикой завода в области качества (ISO 9000), а также с программами модернизации заводского оборудования и автоматизации систем жизнеобеспечения цехов.

В дипломном проекте используются интернет - ресурсы (форумы, электронные библиотеки, статьи и публикации, электронные порталы), а также техническая литература необходимой предметной области и тексты стандартов (ГОСТ, СНИП, СанПиН). Также разработка САУ ПВВ ведется с учетом предложений и рекомендаций специалистов, на основании имеющихся монтажных планов, кабельных трасс, систем воздуховодов.

Стоит отметить, что затронутая в дипломном проекте проблема имеет место быть практически на всех старых заводах оборонно-промышленного комплекса, переоборудование цехов - одна из наиболее важных задач в плане обеспечения качества продукции для конечного потребителя. Таким образом, в дипломном проектировании будет отражен накопленный опыт решения подобных задач на предприятиях со схожим типом производства.

1. Аналитический обзор

1.1 Общий анализ необходимости проектирования САУ ПВВ

Важнейшим источником экономии топливно-энергетических ресурсов, затрачиваемых на теплоснабжение крупных производственных зданий со значительным потреблением тепловой и электрической энергии, является повышение эффективности работы системы приточно-вытяжной вентиляции (ПВВ) на основе использования современных достижений вычислительной и управляющей техники.

Обычно для управления системой вентиляции служат средства локальной автоматики. Основным недостатком такого регулирования является то, что оно не учитывает фактический воздушный и тепловой баланс здания и реальные погодные условия: температуру наружного воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление.

Поэтому под воздействием средств локальной автоматики система вентилирования воздуха работает, как правило, не в оптимальном режиме.

Эффективность работы системы приточно-вытяжной вентиляции можно значительно увеличить, если осуществлять оптимальное управление системами, основанное на использовании комплекса соответствующих технических и программных средств.

Формирование теплового режима можно представить как взаимодействие возмущающих и регулирующих факторов. Для определения управляющего воздействия нужна информация о свойствах и количестве входных и выходных параметров и условия протекания процесса передачи тепла. Так как целью управления вентиляционным оборудованием является обеспечение требуемых условий воздушной среды в рабочей зоне помещений зданий при минимальных энергетических и материальных затратах, то с помощью ЭВМ можно будет найти оптимальный вариант и выработать соответствующие управляющие воздействия на эту систему. В результате ЭВМ с соответствующим комплексом технических и программных средств образует автоматизированную систему управления тепловым режимом помещений зданий (АСУ ТРП). При этом стоит отметить также, что под ЭВМ можно понимать и пульт управления ПВВ, и пульт мониторинга состояния ПВВ, а также простейший компьютер с программой моделирования САУ ПВВ, обработки результатов и оперативного управления на их основе.

Система автоматического управления - это совокупность объекта управления (управляемого технологического процесса) и управляющих устройств, взаимодействие которых обеспечивает автоматическое протекание процесса в соответствии с заданной программой. При этом под технологическим процессом понимается последовательность операций, которые необходимо выполнить, чтобы из исходного сырья получить готовый продукт. В случае ПВВ готовым продуктом является воздух в обслуживаемом помещении с заданными параметрами (температура, газовый состав и т.д.), а сырьем - наружный и вытяжной воздух, теплоносители, электроэнергия и др.

В основу функционирования САУ ПВВ, как и любой системы управления, должен быть положен принцип обратной связи (ОС): выработка управляющих воздействий на основе информации об объекте, полученной с помощью датчиков, установленных или распределенных на объекте.

Каждая конкретная САУ разрабатывается исходя из заданной технологии обработки входного потока воздуха. Часто система приточно-вытяжной вентиляции сопряжена с системой кондиционирования (подготовки) воздуха, что отражается и в проектировании управляющей автоматики.

При применении автономных устройств или комплектных технологических установок обработки воздуха САУ поставляются уже встроенными в оборудование и уже заложенными определенными функциями управления, которые обычно подробно описываются в технической документации. В этом случае наладка, сервисное обслуживание и эксплуатация таких систем управления должны производиться в точном соответствии с указанной документацией.

Анализ технических решений современных ПВВ передовых фирм - производителей вентиляционного оборудования показал, что управляющие функции можно условно разделить на две категории:

Функции управления, определяемые технологией и оборудованием обработки воздуха;

Дополнительные функции, которые большей частью являются сервисными, представляются как ноу-хау фирм и здесь не рассматриваются.

В общем виде основные технологические функции управления ПВВ могут быть разделены на следующие группы (рис. 1.1)

Рис. 1.1 - Основные технологические функции управления ПВВ

Опишем, что подразумевается под функциями ПВВ, представленными на рис. 1.1.

1.1.1 Функция «контроль и регистрация параметров»

В соответствии с СНиП 2.04.05-91 обязательными параметрами контроля являются:

Температура и давление в общих подающем и обратном трубопроводах и на выходе каждого теплообменника;

Температура воздуха наружного, приточного после теплообменника, а также температура в помещении;

Нормы ПДК вредных веществ в вытягиваемом из помещения воздухе (наличие газов, продуктов горения, нетоксичной пыли).

Другие параметры в системах приточно-вытяжной вентиляции контролируются по требованию технических условий на оборудование или по условию эксплуатации.

Дистанционный контроль предусматривают для измерения основных параметров технологического процесса или параметров, задействованных в реализации других функций управления. Такой контроль осуществляется с помощью датчиков и измерительных преобразователей с выводом (при необходимости) измеренных параметров на индикатор или экран управляющего прибора (пульт управления, монитор ЭВМ).

Для измерения других параметров обычно используют местные (переносные или стационарные) приборы - показывающие термометры, манометры, устройства спектрального анализа состава воздуха и т.п.

Применение местных контролирующих приборов не нарушает основной принцип систем управления - принцип обратной связи. В этом случае он реализуется либо с помощью человека (оператора или обслуживающего персонала), либо с помощью управляющей программы, «зашитой» в память микропроцессора.

1.1.2 Функция «оперативное и программное управление»

Немаловажным является реализовать такую опцию, как «последовательность пуска». Для обеспечения нормального пуска системы ПВВ следует учитывать:

Предварительное открытие воздушных заслонок до пуска вентиляторов. Это выполняется в связи с тем, что не все заслонки в закрытом состоянии могут выдержать перепад давлений, создаваемый вентилятором, а время полного открытия заслонки электроприводом доходит до двух минут.

Разнесение моментов запуска электродвигателей. Асинхронные электродвигатели зачастую могут иметь большие пусковые токи. Если одновременно запустить вентиляторы приводы воздушных заслонок и другие приводы, то из-за большой нагрузки на электрическую сеть здания сильно упадет напряжение, и электродвигатели могут не запуститься. Поэтому запуск электродвигателей, особенно большой мощности, необходимо разносить по времени.

Предварительный прогрев калорифера. Если не осуществить предварительный прогрев водяного калорифера, то при низкой температуре наружного воздуха может сработать защита от замораживания. Поэтому при запуске системы необходимо открыть заслонки приточного воздуха, открыть трехходовой клапан водяного калорифера и прогреть калорифер. Как правило, эта функция включается при температуре наружного воздуха ниже 12 °С.

Обратная опция - «последовательность останова» При отключении системы следует учитывать:

Задержку остановки вентилятора приточного воздуха в установках с электрокалорифером. После снятия напряжения с электрокалорифера следует охлаждать его некоторое время, не выключая вентилятор приточного воздуха. В противном случае нагревательный элемент калорифера (тепловой электрический нагреватель - ТЭН) может выйти из строя. Для существующих задач дипломного проектирования данная опция не является важной вследствие использования водяного калорифера, однако немаловажно отметить и ее.

Таким образом, на основании выделенных опций оперативного и программного управления можно представить типовой график включения и отключения аппаратов устройств ПВВ.

Рис. 1.2 - Типовая циклограмма работы САУ ПВВ с водяным калорифером

Весь этот цикл (рис. 1.2) система должна отрабатывать автоматически, а, кроме того, должен быть предусмотрен индивидуальный пуск оборудования, который необходим при наладке и профилактических работах.

Немаловажное значение имеют функции программного управления, такие как смена режима «зима-лето». Особенно актуальна реализация этих функций в современных условиях дефицита энергетических ресурсов. В нормативных документах выполнение этой функции носит рекомендательный характер - «для общественных, административно-бытовых и производственных зданий следует, как правило, предусматривать программное регулирование параметров, обеспечивающее снижение расхода теплоты».

В простейшем случае эти функции предусматривают или вообще отключение ПВВ в определенный момент времени, или снижение (повышение) заданного значения регулируемого параметра (например, температуры) в зависимости от изменения тепловых нагрузок в обслуживаемом помещении.

Более эффективным, но и более сложным в реализации, является программное управление, предусматривающее автоматическое изменение структуры ПВВ и алгоритма ее функционирования не только в традиционном режиме «зима-лето», но и в переходных режимах. Анализ и синтез структуры ПВВ и алгоритма ее функционирования обычно производится на основе их термодинамической модели.

При этом основной мотивацией и критерием оптимизации, как правило, является стремление обеспечить, возможно, минимальное потребление энергии при ограничениях на капитальные затраты, габариты и т.д.

1.1.3 Функция «защитные функции и блокировки»

Защитные функции и блокировки общие для систем автоматики и электрооборудования (защита от короткого замыкания, перегрева, ограничения перемещения и т.п.) оговорены межведомственными нормативными документами. Такие функции, обычно, реализуются отдельными аппаратами (предохранителями, устройствами защитного отключения, конечными выключателями и т.д.). Их применение регламентируется правилами устройства электроустановок (ПУЭ), правилами пожарной безопасности (ППБ).

Защита от замерзания. Функция автоматической защиты от замерзания должна быть предусмотрена в районах с расчетной температурой наружного воздуха для холодного периода минус 5оС и ниж. Защите подлежат теплообменники первого подогрева (водяной калорифер) и рекуператоры (если имеются).

Обычно защита от замерзания теплообменников выполняется на базе датчиков или датчиков-реле температуры воздуха за аппаратом и температуры теплоносителя в обратном трубопроводе.

Опасность замораживания прогнозируют по температуре воздуха перед аппаратом (tн<5 °С). При достижении указанных значений полностью открывают клапаны и останавливают приточный вентилятор.

В нерабочее время для систем с защитой от замерзания клапан должен оставаться приоткрытым (5-25 %) при закрытой заслонке наружного воздуха. Для большей надежности защиты при отключенной системе иногда реализуют функцию автоматического регулирования (стабилизации) температуры воды в обратном трубопроводе.

1.1.4 Функция «защита технологической аппаратуры и электрооборудования»

1. Контроль загрязненности фильтра

Контроль загрязненности фильтра оценивается падением давления на нем, которое измеряется дифференциальным датчиком давления. Датчик измеряет разность давлений воздуха до и после фильтра. Допустимое падение давления на фильтре указывается в его паспорте (для манометров, представленных на заводских воздушных трассах, по техпаспорту - 150-300 Па). Эта разность устанавливается при наладке системы на дифференциальном датчике (уставка датчика). При достижении уставки от датчика поступает сигнал о предельной запыленности фильтра и необходимости его обслуживания или замены. Если в течение определенного времени (обычно 24 часа) после выдачи сигнала предельной запыленности фильтр не будет очищен или заменен, рекомендуется предусмотреть аварийную остановку системы.

Аналогичные датчики рекомендуется устанавливать на вентиляторах. Если выйдет из строя вентилятор или ремень привода вентилятора, то система должна быть остановлена в аварийном режиме. Однако, зачастую такими датчиками пренебрегают из соображений экономии, что значительно затрудняет диагностику системы и отыскание неисправностей в дальнейшем.

2. Другие автоматические блокировки

Кроме того, автоматические блокировки должны быть предусмотрены для:

Открывания и закрывания клапанов наружного воздуха при включении и отключении вентиляторов (заслонки) ;

Открывания и закрывания клапанов систем вентиляции, соединенных воздухопроводами для полной или частичной взаимозаменяемости при выходе из строя одной из систем ;

Закрывания клапанов систем вентиляции для помещений, защищаемых установками газового пожаротушения при отключении вентиляторов систем вентиляции этих помещений ;

Обеспечения минимального расхода наружного воздуха в системах с переменным расходом и др.

1.1.5 Регулирующие функции

Регулирующие функции - автоматическое поддержание заданных параметров являются основными по определению для систем приточно-вытяжной вентиляции, работающей с переменным расходом, рециркуляцией воздуха, подогревом воздуха.

Эти функции выполняются с помощью замкнутых контуров регулирования, в которых принцип обратной связи присутствует в явном виде: информация об объекте, поступающая от датчиков, преобразуется регулирующими устройствами в управляющие воздействия. На рис. 1.3 приведен пример контура регулирования температуры приточного воздуха в канальном 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) измеренного значения температуры и температуры уставки. В зависимости от разности между температурой уставки (Tуст) и измеренным значением температуры (Тизм) устройство управления (Р) вырабатывает сигнал, воздействующий на исполнительный механизм (М - электропривод трехходового клапана). Электропривод открывает или закрывает трехходовой клапан до положения, при котором ошибка:

е = Tуст - Тизм

будет минимальной.

Рис. 1.3 - Контур регулирования температуры приточного воздуха в воздуховоде с водяным теплообменником: Т - датчик; УС - устройство сравнения; Р - регулирующее устройство; М - исполнительное устройство

Таким образом, построение системы автоматического регулирования (САР) на основании требований к точности и другим параметрам ее работы (устойчивости, колебательности и др.) сводится к выбору ее структуры и элементов, а также к определению параметров регулятора. Обычно, это выполняется специалистами по автоматизации с использованием классической теории автоматического регулирования. Отмечу только, что параметры настройки регулятора определяются динамическими свойствами объекта управления и выбранным законом регулирования. Закон регулирования - взаимосвязь между входным (?) и выходным (Uр) сигналами регулятора.

Простейшим является пропорциональный закон регулирования, в котором? и Uр связаны между собой постоянным коэффициентом Кп. Этот коэффициент и есть параметр настройки такого регулятора, который называют П-регулятор. Его реализация требует применения регулируемого усилительного элемента (механического, пневматического, электрического и т. п.), который может функционировать как с привлечением добавочного источника энергии, так и без него.

Одной из разновидностей П-регуляторов являются позиционные регуляторы, которые реализуют пропорциональный закон регулирования при Кп и формируют выходной сигнал Uр, имеющий определенное число постоянных значений, например, два или три, соответствующие двух- или трехпозиционным регуляторам. Такие регуляторы иногда называют релейными из-за сходства их графических характеристик с характеристиками реле. Параметром настройки таких регуляторов служит величина зоны нечувствительности Де.

В технике автоматизации систем вентиляции двухпозиционные регуляторы в виду простоты и надежности нашли широкое применение при регулировании температуры (термостаты), давления (прессостаты) и других параметров состояния процесса.

Двухпозиционные регуляторы используются также в системах автоматической защиты, блокировок и переключения режимов работы оборудования. В этом случае их функции выполняют датчики-реле.

Несмотря на указанные достоинства П-регуляторов, они обладают большой статической ошибкой (при малых значениях Кп) и склонностью к автоколебаниям (при больших значениях Кп). Поэтому при более высоких требованиях к регулирующим функциям систем автоматики по точности и устойчивости применяют и более сложные законы регулирования, например, ПИ- и ПИД-законы.

Также регулирование температуры подогрева воздуха может быть выполнено П-регулятором, работающим по принципу балансировки: увеличивать температуру при ее значении, меньшем чем уставка, и наоборот. Такая интерпретация закона также нашла применение в системах, не требующих высоких точностей.

1.2 Анализ существующих типовых схем автоматики вентиляции производственных цехов

Существует ряд стандартных реализаций автоматики системы приточно-вытяжной вентиляции, каждая и них имеет ряд преимуществ и недостатков. Отмечу, что несмотря на наличие множества типовых схем и разработок, весьма сложно создать такую САУ, которая бы была гибкой по настройкам относительно производства, на котором она внедряется. Таким образом, для проектирования САУ ПВВ необходим тщательный анализ существующей структуры вентиляции, анализ технологических процессов производственного цикла, а также анализ требований по охране труда, экологии, электро- и пожаробезопасности. Более того, зачастую проектируемая САУ ПВВ является специализированной относительно области своего применения.

В любом случае, в качестве типовых исходных данных на начальном этапе проектирования обычно принято рассматривать следующие группы:

1. Общие данные: территориальное расположение объекта (город, район); тип и назначение объекта.

2. Сведения о здании и помещениях: планы и разрезы с указанием всех размеров и отметок высот относительно уровня земли; указание категорий помещений (на архитектурных планах) в соответствии с противопожарными нормами; наличие технических площадей с указанием их размеров; расположение и характеристики существующих систем вентиляции; характеристики энергоносителей;

3. Сведения о технологическом процессе: чертежи технологического проекта (планы) с указанием размещения технологического оборудования; спецификация оборудования с указанием установленных мощностей; характеристики технологического режима -- число рабочих смен, среднее количество рабочих в смен; режим работы оборудования (одновременность работы, коэффициенты загрузки и др.); количество вредных выделений в воздушную среду (ПДК вредных веществ).

В качестве исходных данных для расчета автоматики системы ПВВ выносят:

Производительность существующей системы (мощность, воздухообмен);

Перечень параметров воздуха, подлежащих регулированию;

Пределы регулирования;

Работа автоматики при поступлении сигналов от других систем.

Таким образом, исполнение системы автоматики проектируется исходя из возложенных на нее задач с учетом норм и правил, а также общих исходных данных и схем. Составление схемы и подбор аппаратуры системы автоматики вентиляции выполняется индивидуально.

Приведем существующие типовые схемы систем управления приточно вытяжной вентиляцией, охарактеризуем некоторые из них относительно возможности применения для решения задач дипломного проекта (рис. 1.4 - 1.5, 1.9).

Рис. 1.4 -САУ прямоточной вентиляции

Данные системы автоматики нашли активное применение на фабриках, заводах, в офисных помещениях. Объект управления здесь - это шкаф автоматики (пульт управления), фиксирующие устройства - датчики каналов, управляющее воздействие оказывается на двигатели моторов вентиляторов, двигатели заслонок. Также присутствует САР подогрева/охлаждения воздуха. Забегая вперед, можно отметить, что система, приведенная на рис.1.4а - прототип системы, которую необходимо использовать на участке литья под давлением ОАО «Вологодский оптико-механический завод». Охлаждение воздуха в производственных помещениях малоэффективно вследствие объемов этих помещений, а подогрев является обязательным условием правильного функционирования САУ ПВВ.

Рис. 1.5- САУ вентиляцией с теплоутилизаторами

Построение САУ ПВВ с использованием теплоутилизаторов (рекуператоров) позволяет решать проблемы перерасхода электроэнергии (для электрокалориферов), проблемы выбросов в окружающую среду. Смысл рекуперации в том, что удаляемый безвозвратно воздух из помещения, обладающей температурой заданной в помещении, обменивается энергией с поступающим наружным воздухом, параметры, которого, как правило значительно отличаются от заданных. Т.е. зимой удаляемый теплый вытяжной воздух частично нагревает наружный приточный воздух, а летом более холодный вытяжной воздух частично охлаждает приточный воздух. В лучшем случае, на рекуперации можно уменьшить энергозатраты на обработку приточного воздуха на 80 %.

Технически рекуперация в приточно-вытяжной вентиляции осуществляется применением вращающихся теплоутилизаторов и систем с промежуточным теплоносителем. Таким образом, получаем выигрыш как на нагревании воздуха, так и на сокращении открытий заслонок (допускается большее время простоя двигателей, управляющих заслонками) - все это дает общий выигрыш в плане экономии электроэнегрии.

Системы с рекуперацией тепла являются перспективными и активно и внедряются вместо старых вентиляционных систем. Однако, стоит отметить, что подобные системы стоят дополнительных капиталовложений, однако и срок их окупаемости, сравнительно мал, в то время как рентабельность очень высока. Также отсутствие постоянного выброса в окружающую среду повышает экологические показатели подобной организации автоматики ПВВ. Упрощенно работа системы с рекуперацией тепла из воздуха (рециркуляцией воздуха) представлена на рис.1.6.

Рис. 1.6 - Работа системы воздухообмена с рециркуляцией (рекуперацией)

Перекрестноточные или пластинчатые рекуператоры (рис. 1.5 в,г) состоят из пластин (алюминиевых), представляющих систему каналов для протекания двух потоков воздуха. Стенки каналов являются общими для приточного и вытяжного воздуха и легко передают. Благодаря большой площади поверхности обмена и турбулентному течению воздуха в каналах добиваются высокой степени теплоутилизации (теплопередачи) при относительно низком гидравлическом сопротивлении. Эффективность пластинчатых рекуператоров доходит до 70%.

Рис. 1.7 - Организация воздухообмена САУ ПВВ на основе пластинчатых рекуператоров

Утилизируется только явное тепло вытяжного воздуха т.к. приточный и вытяжной воздух некоим образом не смешиваются, а конденсат образующий при охлаждении вытяжного воздуха задерживается сепаратором и отводиться дренажной системой из сливного поддона. Для предотвращения замерзания конденсата при низких температурах (до -15оС), формируются соответствующие требования к автоматике: она должна обеспечивать периодическую остановку приточного вентилятора или отвод части наружного воздуха в обводной канал в обход каналов рекуператора. Единственное ограничение в применении данного метода состоит в обязательном пересечении приточной и вытяжной ветки в одном месте, что в случае простой модернизации САУ накладывает ряд трудностей.

Системы рекуперации с промежуточным теплоносителем (рис. 1.5 а,б) представляют собой пару теплообменников соединенных замкнутым трубопроводом. Один теплообменник находится в вытяжном канале, а другой в приточном. По замкнутому контуру циркулирует незамерзающая гликолевая смесь, перенося тепло от одного теплообменника до другого, причем в этом случае расстояние от приточной установки до вытяжной может весьма значительным.

Эффективность теплоутилизации при таком методе не превышает 60 %. Стоимость сравнительна велика, однако в некоторых случаях это может быть единственным вариантом теплоутилизации.

Рис. 1.8 - Принцип теплоутилизации с применением промежуточного теплоносителя

Роторный теплоутилизатор (вращающийся теплообменник, рекуператор) - представляет собой ротор с каналами для горизонтального прохода воздуха. Часть ротора находится в вытяжном канале, а часть - в приточном. Вращаясь, ротор получает тепло вытяжного воздуха и передает его приточному, причем передается как явное, так и скрытое тепло, а также влажность. Эффективность теплоутилизации максимальна и достигает 80 %.

Рис. 1.9 - САУ ПВВ с роторным рекуператором

Ограничение на применение данного метода накладывает прежде всего то, что до 10 % вытяжного воздуха смешивается с приточным, а в ряде случаев это недопустимо или нежелательно (если воздух имеет значительный уровень загрязнения). Требования к конструкции аналогичны предыдущему варианту - вытяжная и приточная машина находится в одном месте. Этот способ дороже первого и реже находит применение.

В целом системы с рекуперацией стоят на 40-60 % дороже аналогичных систем без рекуперации, однако затраты на эксплуатацию при этом будут отличаться в разы. Даже при сегодняшних ценах на энергоносители время окупаемости системы рекуперации не превышает двух отопительных сезонов.

Хотелось бы отметить, что на энергосбережение влияют в том числе и алгоритмы управления. Однако, всегда следует учитывать, что все системы вентиляции рассчитываются на некоторые усредненные условия. Например, расход наружного воздуха определяли на одно количество людей, а реально в помещении может находиться менее 20 % от принятого значения, конечно в таком случае расчетный расход наружного воздуха будет явно избыточным, работа вентиляции в избыточном режиме приведет к необоснованной потере энергоресурсов. Логично в таком случае рассмотреть несколько режимов эксплуатации-например, зимний/летний. Если автоматика способна установить подобные режимы - экономия очевидна. Еще одни подход связан с регулированием расхода наружного воздуха в зависимости от качества газовой среды внутри помещения, т.е. система автоматики включает в себя газоанализаторы на вредные газы и подбирает значение расхода наружного воздуха таким образом, чтобы содержание вредных газов не превышало предельно-допустимых значений.

1.3 Маркетинговое исследование

В настоящее время на рынке автоматики для приточно-вытяжной вентиляции широко представлены все ведущие мировые производители вентиляционного оборудования, причем каждый из них специализируется на производстве оборудования в определенном сегменте. Весь рынок вентиляционного оборудования можно условно разделить по следующим областям применения:

Бытового и полупромышленного назначения;

Промышленного назначения;

Вентиляционное оборудование "специального" назначения.

Так как в дипломном проекте рассматривается проектирование автоматики для приточно-вытяжных систем производственных помещений, то для сравнения предлагаемой разработки с имеющимися на рынке необходимо выбрать подобные существующие пакеты автоматики известных производителей.

Результаты маркетингового исследования существующих пакетов САУ ПВВ представлены в приложении А.

Таким образом, в результате маркетингового исследования были рассмотрены несколько наиболее часто применяемых САУ ПВВ разных производителей, путем изучения их технической документации были получены сведения:

Состав соответствующего пакета САУ ПВВ;

Реестр параметров контроля (давление в воздуховодах, температура, чистота, влажность воздуха);

Марка программируемого логического контроллера и его комплектация (программное обеспечение, система команд, принципы программирования);

Наличие связей с другими системами (предусмотрена ли связь с пожарной автоматикой, имеется ли поддержка протоколов локальных сетей);

Защитное исполнение (электробезопасность, пожаробезопасность, пылезащищенность, помехозащищенность, влагозащищенность).

2. Описание вентиляционной сети производственного цеха как объекта автоматического управления

В целом, по результатам анализа имеющихся подходов к автоматизации систем вентилирования и подготовки воздуха, а также в результате аналитических обзоров типовых схем можно сделать вывод о том, что задачи, рассматриваемые в дипломном проекте, являются актуальными и в настоящее время, активно рассматриваемыми и изучаемыми специализированными конструкторскими бюро (СКБ).

Отмечу, что существуют три основных подхода к реализации автоматики для системы вентиляции:

Распределенный подход: реализация автоматики ПВВ на основе местного коммутационного оборудования, управление каждым вентилятором ведется соответствующим устройством.

Данный подход применяют для проектирования автоматики сравнительно небольших вентиляционных систем, в которых не предвидится дальнейшего расширения. Он является наиболее старым. К преимуществам подхода можно отнести, например, то, что в случае аварии на одной из контролируемых вентиляционных ветвей система производит аварийную остановку только данного звена/секции. Кроме того, данный подход является сравнительно простым в реализации, не требует сложных алгоритмов управления, упрощает техническое обслуживание устройств вентиляционной системы.

Централизованный подход: реализация автоматики ПВВ на основе группы логических контроллеров или программируемого логического контроллера (ПЛК), управление всей системой вентиляции ведется централизованно в соответствии с заложенными программой и данными.

Централизованный подход является более надежным, чем распределенный. Все управление ПВВ является жестким, осуществляется на основе программы. Данное обстоятельство налагает дополнительные требования как к написанию кода программы (необходимо учитывать множество условий, в т.ч. действия в аварийных ситуациях), так и к особой защите управляющего ПЛК. Данный подход нашел применение для небольших административно-производственных комплексов. Его отличает гибкость настроек, возможность масштабирования системы до разумных пределов, а также возможность мобильного объединения системы по смешанному принципу организации;

Смешанный подход: используется при проектировании больших систем (большое количество управляемой техники, обладающей огромной производительностью), представляет из себя комбинацию распределенного и централизованного подхода. В общем случае данный подход предполагает уровневую иерархию во главе с управляющей ЭВМ и ведомыми «микроЭВМ», таким.образом образуя глобальную по отношению к предприятию управляющую производственную сеть. Другими словами, данный подход - распределено-централизованный подход с диспетчеризацией системы.

В аспекте задачи, решаемой в дипломном проектировании, наиболее предпочтительным является централизованный подход к реализации автоматики ПВВ. Так как система разрабатывается для небольших производственных помещений, возможно использование данного подхода для других объектов с целью их последующего объединения в единую САУ ПВВ.

Зачастую для шкафов управления вентиляцией предусматривается интерфейс, позволяющий осуществлять мониторинг состояния вентиляционной системы с выводом информации на монитор ЭВМ. Однако, стоит отметить, что данная реализация требует дополнительных усложнений программы управления, подготовки специалиста, следящего за состоянием и принимающего оперативные решения на основе визуально получаемых данных от опроса датчиков. Кроме того, всегда присущ фактор человеческой ошибки в экстренных ситуациях. Поэтому реализация данного условия является скорее дополнительной опцией к проектированию пакета автоматики ПВВ.

2.1 Описание существующей системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов

Для обеспечения основного принципа вентиляции производственных цехов, заключающегося в поддержании в допустимых пределах параметров и состава воздуха, необходимо подавать чистый воздух к местам нахождения рабочих с последующим распределением воздуха по всему помещению.

Ниже на рис. 2.1 приведена иллюстрация типовой системы приточно-вытяжной вентиляции, подобная которой имеется на участке внедрения.

Вентиляционная система производственного помещения состоит из вентиляторов, воздуховодов, приемных устройств наружного воздуха, устройств для очистки поступающего и выбрасываемого в атмосферу воздух, устройства нагрева воздуха (водяной калорифер).

Проектирование существующей приточно-вытяжной вентиляционной систем велось в соответствии с требованиями СНиП II 33-75 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», а также ГОСТ 12.4.021-75 «ССБТ. Системы вентиляционные. Общие требования», в котором указаны требования при монтаже и пусконаладочных работах и эксплуатации.

Очистка загрязненного воздуха, выбрасываемого в атмосферу, осуществляется специальными устройствами - пылеотделителями (применяется на производственном участке литья под давлением), фильтрами воздуховодов и др. При этом необходимо учесть, что пылеотделители не требуют дополнительного управления и срабатывают при включении вытяжной вентиляции.

Также очистка вытянутого из рабочей зоны воздуха может выполняться в пылеосадочных камерах (только для крупной пыли) и электрофильтрах (для мелкой пыли). Очистка воздуха от вредных газов осуществляется с использованием специальных абсорбирующих и дезактивирующих веществ, в том числе и нанесенных на фильтры (в ячейках фильтрах).

Рис. 2.1 - Система приточно-вытяжной вентиляции производственного цеха 1 -воздухозаборное устройство; 2 -калориферы для подогрева; 3- приточный вентилятор; 4 - магистральный воздуховод; 5 - ответвления воздуховода; 6 - приточные насадки; 7 - местные отсосы; 8 и 9 - магистр. воздуховод вытяжной установки; 10 - пылеотделитель; 11 - вытяжной вентилятор; 12 - шахта выброса очищенного воздуха в атмосферу

Автоматика существующей системы является сравнительно простой. Технологический процесс проветривания выглядит следующим образом:

1. начало рабочей смены - производится пуск системы приточно-вытяжной вентиляции. Вентиляторы приводятся в действие централизованным устройством запуска. Другими словами, пульт управления представляет собой два пускателя - для старта и аварийного останова/выключения. Смена продолжается 8 часов - с часовым перерывом, то есть система в среднем простаивает 1 час в рабочее время. Кроме того, подобная «сблокированность» управления является экономически неэффективной, так как приводит к пере-расходу электроэнергии.

Следует отметить, что нет производственной необходимости, чтобы вытяжная вентиляция работала постоянно, целесообразно включать ее тогда, когда воздух загрязнен, либо, например, требуется отвод излишней тепловой энергии от рабочей зоны.

2. открытие заслонок воздухозаборных устройств также управляется местной пускательной аппаратурой, воздух с параметрами внешней среды (температура, чистота) за счет разницы в давлении затягивается в воздуховоды приточным вентилятором.

3. взятый из внешней среды воздух проходит через водяной калорифер, нагревается до допустимых температурных значений, и по воздуховодам через приточные насадки нагнетается в помещение. Водяной калорифер обеспечивает значительный нагрев воздуха, управление калорифером - ручное, специалист по электромонтажу открывает заслонку клапана. На летний период калорифер отключается. В качестве теплоносителя используется горячая вода, подаваемая от внутризаводской котельной. Не предусмотрена система автоматического регулирования температуры воздуха, вследствие чего происходит большой перерасход ресурса.

Подобные документы

Особенности использования системы управления установкой приточной вентиляции на базе контроллера МС8.2. Основные функциональные возможности контроллера. Пример спецификации для автоматизации установки приточной вентиляции для схемы на базе МС8.2.

практическая работа , добавлен 25.05.2010


Сравнительный анализ технических характеристик типовых конструкций градирен. Элементы систем водоснабжения и их классификация. Математическая модель процесса оборотного водоснабжения, выбор и описание средств автоматизации и элементов управления.

дипломная работа , добавлен 04.09.2013


Основы функционирования системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляции, ее построение и математическое описание. Аппаратура технологического процесса. Выбор и расчет регулятора. Исследование устойчивости САР, показатели ее качества.

курсовая работа , добавлен 16.02.2011


Описание процесса тепловлажностной обработки изделий на базе цементобетона. Автоматизированный контроль процесса вентиляции пропарочной камеры. Выбор типа дифманометра и расчет сужающего устройства. Измерительная схема автоматического потенциометра.

курсовая работа , добавлен 25.10.2009


Карта технологического маршрута обработки червячного колеса. Расчет припусков и предельных размеров на обработку изделия. Разработка управляющей программы. Обоснование и выбор зажимного приспособления. Расчет вентиляции производственных помещений.

дипломная работа , добавлен 29.08.2012


Характеристика проектируемого комплекса и выбор технологии производственных процессов. Механизация водоснабжения и поения животных. Технологический расчет и выбор оборудования. Системы вентиляции и воздушного отопления. Расчет воздухообмена и освещения.

курсовая работа , добавлен 01.12.2008


Приточная система вентиляции, ее внутреннее устройство и взаимосвязь элементов, оценка преимуществ и недостатков использования, требования к оборудованию. Мероприятия по энергосбережению, автоматизация управления энергоэффективных вентиляционных систем.

курсовая работа , добавлен 08.04.2015


Разработка технологической схемы автоматизации электрообогреваемого пола. Расчет и выбор элементов автоматики. Анализ требований в схеме управления. Определение основных показателей надежности. Техника безопасности при монтаже средств автоматизации.

курсовая работа , добавлен 30.05.2015


Аппаратура технологического процесса каталитического риформинга. Особенности рынка средств автоматизации. Выбор управляющего вычислительного комплекса и средств полевой автоматики. Расчет и выбор настроек регуляторов. Технические средства автоматизации.

дипломная работа , добавлен 23.05.2015


Технологическое описание структурной схемы проекта по автоматизации процесса переработки предельных углеводородных газов. Изучение функциональной схемы автоматизации и обоснование выбора средств КИП установки. Математическая модель контура регулирования.

Глебов Р. С., аспирант Туманов М.П., кандидат технических наук, доцент

Антюшин С. С., аспирант (Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет)

ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

В связи с появление новых требований к системам вентиляцией, экспериментальные методы настройки замкнутых контуров управления не могут в полной мере решить задачи автоматизации технологического процесса. Экспериментальные методы настройки имеют заложенные критерии оптимизации (критерии качества управления), что ограничивает область их применения. Параметрический синтез системы управления, учитывающего все требования технического задания, требует математической модели объекта. В статье приводиться анализ структур математических моделей вентиляционной установки, рассматривается метод идентификации вентиляционной установки, оценивается возможность применения полученных моделей для применения на практике.

Ключевые слова: идентификация, математическая модель, вентиляционная установка, экспериментальное исследование математической модели, критерии качества математической модели.

PRACTICAL ASPECTS OF IDENTIFICATION OF MATHEMATICAL MODEL

OF VENTILATING INSTALLATION

In connection with occurrence of new requirements to systems ventilation, experimental methods of adjustment of the closed contours of management can"t solve a problem of automation of technological process to the full. Experimental methods of adjustment have the put criteria of optimization (criterion of quality of management) that limits area of their application. Parametrical synthesis of the control system, the technical project considering all requirement, demands mathematical model of object. In article to be resulted the analysis of structures of mathematical models of ventilating installation, the method of identification of ventilating installation is considered, possibility of application of the received models for application in practice is estimated.

Key words: identification, mathematical model, ventilating installation, experimental research of mathematical model, criteria of quality of mathematical model.

Введение

Управление системами вентиляции является одной из основных задач автоматизации инженерных систем здания. Требования к системам управления вентиляционными установками формулируются в виде критериев качества во временной области.

Основные критерии качества:

1. Время переходного процесса (tnn) - время выхода вентиляционной установки на рабочий режим.

2. Установившаяся ошибка (еуст) - максимально допустимое отклонение температуры подаваемого воздуха от заданного.

Косвенные критерии качества:

3. Перерегулирование (Ah) -перерасход мощности при управлении вентиляционной установкой.

4. Степень колебательности (у) - избыточный износ вентиляционного оборудования.

5. Степень затухания (у) - характеризует качество и скорость установления требуемого температурного режима.

Главной задачей автоматизации системы вентиляции является параметрический синтез регулятора. Параметрический синтез заключается в определении коэффициентов регулятора для обеспечения критериев качества предъявляемых к системе вентиляции.

Для синтеза регулятора вентиляционной установки выбирают инженерные методы, удобные для применения на практики, которые не требуют исследования математической модели объекта: метод №сЬо18-21§1ег(Ж), метод СЫеп-Нгопе8-Ке8,шск(СНК). К современным системам автоматизации вентиляции предъявляются высокие требования показателей качества, сужаются допустимые граничные условия показателей, появляются многокритериальные задачи управления. Инженерные методы настройки регуляторов не позволяют изменить заложенные в них критерии качества управления. Например, при использовании метода N2 для настройки регулятора, критерием качества является декремент затухания равный четырем, а при использовании метода СНЯ, критерием качества является максимальная скорость нарастания при отсутствии перерегулирования. Использование данных методов в решении многокритериальных задач управления требует дополнительную ручную корректировку коэффициентов. Время и качество настройки контуров управления, в данном случае, зависит от опыта инженера наладчика.

Применение современных средств математического моделирования для синтеза системы управления вентиляционной установкой существенно повышает качество процессов управления, позволяет сократить время наладки системы, а также позволяет синтезировать алгоритмические средства обнаружения и предотвращения аварий. Для моделирования системы управления необходимо создать адекватную математическую модель вентиляционной установки (объекта управления).

Практическое использование математических моделей без оценки адекватности вызывает ряд проблем:

1. Настройки регулятора, полученные при математическом моделировании, не гарантируют соответствие показателей качества на практике.

2. Применение на практике регуляторов с заложенной математической моделью (форсирующее управление, экстраполятор Смита и т. д.) может вызывать ухудшение показателей качества. При несоответствии постоянной времени или заниженном коэффициенте усиления возрастает время выхода вентиляционной установки на рабочий режим, при завышенном коэффициенте усиления происходит избыточный износ вентиляционного оборудовании, и т. д.

3. Применение на практике адаптивных регуляторов с оценкой по эталонной модели также вызывать ухудшение показателей качества аналогично приведенному выше примеру.

4. Настройки регулятора, полученные методами оптимального управления, не гарантируют соответствие показателей качества на практике.

Целью данного исследования является определение структуры математической модели вентиляционной установки (по контуру управления температурным режимом) и оценка ее адекватности реальным физическим процессам нагрева воздуха в системах вентиляции.

Опыт проектирования систем управления показывает, что нельзя получить математическую модель, адекватную реальной системе, только на основе теоретических исследований физических процессов системы. Поэтому в процессе синтеза модели вентиляционной установки одновременно с теоретическими исследованиями проводились эксперименты по определению и уточнению математической модели системы - ее идентификация.

Технологический процесс системы вентиляции, организация эксперимента

и структурная идентификация

Объектом управления системы вентиляции выступает центральный кондиционер, в котором происходит обработка воздушного потока и его подача в вентилируемые помещения. Задачей локальной системы управления вентиляции является автоматическое поддержание температуры приточного воздуха в канале. Текущее значение температуры воздуха оценивается по датчику, установленному в приточном канале или в обслуживаемом помещении. Регулирование температуры приточного воздуха осуществляется электрическим или водяным калорифером. При использовании водяного калорифера исполнительным органом является трехходовой клапан, при использовании электрического калорифера - широтно-импульсный или тиристорный регулятор мощности.

Стандартный алгоритм управления температурой приточного воздуха представляет замкнутую систему автоматического регулирования (САР), с ПИД-регулятором в качестве устройства управления. Структура автоматизированной системы управления температурой приточного воздуха вентиляцией приведена (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы управления вентиляционной установкой (канал управления температурой приточного воздуха). Wрег - ПФ регулятора, Жио - ПФ исполнительного органа, Wкал - ПФ калорифера, Wвв - передаточная функция воздуховода. и1 - уставка температуры, XI - температура в канале, XI - показания датчика, Е1 - ошибка регулирования, У1-управляющее воздействие регулятора, У2 - отработка исполнительным устройством сигнала регулятора, У3 - тепло переданное калорифером в канал.

Синтез математической модели системы вентиляции предполагает, что известна структура каждой передаточной функции, входящей в ее состав. Применение математической модели, содержащей передаточные функции отдельных элементов системы, является сложной задачей и не гарантирует на практике суперпозицию отдельных элементов с исходной системой. Для идентификации математической модели структуру системы управления вентиляцией удобно разделить на две части: априорно известную (регулятор) и неизвестную (объект). Передаточная функция объекта ^об) включает в себя: передаточную функцию исполнительного органа ^ио), передаточную функцию калорифера ^кал), передаточную функцию воздуховода ^вв), передаточную функцию датчика ^дат). Задача идентификации вентиляционной установки при управлении температурой воздушного потока сводиться к определению функциональной зависимости между управляющим сигналом на исполнительный элемент калорифера У1 и температурой воздушного потока XI.

Для определения структуры математической модели вентиляционной установки необходимо провести эксперимент по идентификации. Получение искомых характеристик возможно путем пассивного и активного эксперимента. Метод пассивного эксперимента основан на регистрации контролируемых параметров процесса в режиме нормальной работы объекта без внесения в него каких-либо преднамеренных возмущений. На этапе наладки система вентиляции не находится в режиме нормальной работы, поэтому метод пассивного эксперимента не подходит для наших целей. Метод активного эксперимента основан на использовании определенных искусственных возмущений, вводимых в объект по заранее спланированной программе.

Существуют три принципиальных метода активной идентификации объекта: метод переходных характеристик (реакция объекта на «ступеньку»), метод возмущения объекта сигналами периодической формы (реакция объекта на гармонические возмущения с различной частотой) и метод реакции объекта на дельта-импульс. В связи с большой инерционностью систем вентиляции (ТОБ составляет от десятков секунд до нескольких минут) идентификация сигналами пери

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст . Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут . Стоимость одной статьи — 150 рублей .

Пoхожие научные работыпо теме «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»

• АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ УСТАНОВКОЙ С ДИНАМИЧЕСКИМ РАСХОДОМ ПРИТОЧНОГО ВОЗДУХА

  ГЛЕБОВ Р.С., ТУМАНОВ М.П. - 2012 г.

• Проблема управления и моделирования чрезвычайных ситуаций на нефтяных шахтах

  ЛИСКОВА М.Ю., НАУМОВ И.С. - 2013 г.

• О ПРИМЕНЕНИИ ТЕОРИИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ВЫЧИСЛИМЫХ МОДЕЛЕЙ ОБЩЕГО РАВНОВЕСИЯ

  АДИЛОВ ЖЕКСЕНБЕК МАКЕЕВИЧ, АШИМОВ АБДЫКАППАР АШИМОВИЧ, АШИМОВ АСКАР АБДЫКАППАРОВИЧ, БОРОВСКИЙ НИКОЛАЙ ЮРЬЕВИЧ, БОРОВСКИЙ ЮРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ, СУЛТАНОВ БАХЫТ ТУРЛЫХАНОВИЧ - 2010 г.

• MODELLING OF A BIOCLIMATIC ROOF USING NATURAL VENTILATION

  OUEDRAOGO A., OUEDRAOGO I., PALM K., ZEGHMATI B. - 2008 г.

Опишем в данном разделе основные элементы, входящие в систему управления, дадим им техническую характеристику и математическое описание. Более подробно остановимся на разрабатываемой системе автоматического регулирования температуры приточного воздуха, проходящего через калорифер. Так как основным продуктом подготовки является температура воздуха, то в рамках дипломного проекта можно пренебречь построением математических моделей и моделированием процессов циркуляции и расхода воздуха. Также данным математическим обоснованием функционирования САУ ПВВ можно пренебречь вследствие особенностей архитектуры помещений - значителен приток внешнего неподготовленного воздуха в цеха и склады через щели, зазоры. Именно поэтому при любом расходе воздуха практически невозможно состояние «кислородного голодания» у работников данного цеха.

Таким образом, построением термодинамической модели распределения воздуха в помещении, а также математическим описанием САУ по расходу воздуха пренебрегаем в виду их нецелесообразности. Остановимся более подробно на разработке САР температуры приточного воздуха. В действительности, данная система является системой автоматического регулирования положения заслонки ЗРК в зависимости от температуры приточного воздуха. Регулирование - пропорциональный закон методом балансировки значений.

Представим основные элементы, входящие в САУ, приведем их технические характеристики, позволяющие выявить особенности управления ими. Руководствуемся при выборе оборудования и средств автоматизации их техническими паспортами и предыдущими инженерными расчетами старой системы, а также результатами проведенных экспериментов и испытаний.

Приточный и вытяжные центробежные вентиляторы

Обычный центробежный вентилятор представляет собой расположенное в спиральном кожухе колесо с рабочими лопастями, при вращении которого воздух, поступающий через входное отверстие, попадает в каналы между лопастями и под действием центробежной силы перемещается по этим каналам, собирается спиральным кожухом и направляется в его выпускное отверстие. Кожух также служит для преобразования динамического напора в статический. Для усиления напора за кожухом ставят диффузор. На рис. 4.1 представлен общий вид центробежного вентилятора.

Обычное центробежное колесо состоит из лопастей, заднего диска, ступицы и переднего диска. Литую или точеную ступицу, предназначенную для насаживания колеса на вал, приклепывают, приворачивают или приваривают к заднему диску. К диску приклепывают лопасти. Передние кромки лопастей обычно крепят к переднему кольцу.

Спиральные кожуха выполняют из листовой стали и устанавливают на самостоятельных опорах, у вентиляторов малой мощности их крепят к станинам.

При вращении колеса воздуху передается часть подводимой к двигателю энергии. Развиваемое колесом давление зависит от плотности воздуха, геометрической формы лопастей и окружной скорости на концах лопастей.

Выходные кромки лопастей центробежных вентиляторов могут быть загнутыми вперед, радиальными и загнутыми назад. До недавнего времени делали в основном кромки лопастей загнутыми вперед, так как это позволяло уменьшить габаритные размеры вентиляторов. В настоящее время часто встречаются рабочие колеса с лопастями, загнутыми назад, потому что это позволяет поднять к.п.д. вентилятора.

Рис. 4.1

При осмотре вентиляторов следует иметь в виду, что выходные (по ходу воздуха) кромки лопастей для обеспечения безударного входа всегда должны быть отогнуты в направлении, обратном направлению вращения колеса.

Одни и те же вентиляторы при изменении частоты вращения могут иметь различную подачу и развивать различные давления, зависящие не только от свойств вентилятора и частоты вращения, но и от присоединенных к ним воздуховодов.

Характеристики вентиляторов выражают связь между основными параметрами его работы. Полная характеристика вентилятора при постоянной частоте вращения вала (n = const) выражается зависимостями между подачей Q и давлением Р, мощностью N и к. п. д. Зависимости P(Q), N(Q) и T(Q) обычно строят на одном графике. По ним подбирают вентилятор. Характеристику строят на основе испытаний. На рис. 4.2 представлена аэродинамическая характеристика центробежного вентилятора ВЦ-4-76-16, который применяется в качестве приточного на объекте внедрения

Рис. 4.2

Производительность вентилятора составляет 70000 м3/ч или 19,4 м3/с. Частота вращения вала вентилятора - 720 об/мин. или 75,36 рад/сек., мощность приводного асинхронного двигателя вентилятора составляет 35 кВт.

Вентилятор нагнетает наружный атмосферный воздух в калорифер. В результате теплообмена воздуха с горячей водой, пропускаемой через трубки теплообменника, происходит нагрев проходящего воздуха.

Рассмотрим схему регулирования режима работы вентилятора ВЦ-4-76 №16. На рис. 4.3 приведена функциональная схема вентиляторного агрегата при регулировании частотой вращения.

Рис. 4.3

Передаточную функцию вентилятора можно представить в виде коэффициента усиления, который определяется исходя из аэродинамической характеристики вентилятора (рис. 4.2). Коэффициент усиления вентилятора в рабочей точке равен 1,819 м3 /с (минимально возможный, установлено экспериментально).

Рис. 4.4

Экспериментально установлено, что для реализации необходимых режимов работы вентилятора необходима подача на управляющий преобразователь частот следующих значений напряжения (табл. 4.1):

Таблица 4.1 Режимы работы приточной вентиляции

При этом для повышения надежности электродвигателя вентиляторов как приточной, так и вытяжной секции, нет необходимости задавать им режимы работы с максимальной производительностью. Задача экспериментальных исследования заключалась в нахождении таких управляющих напряжений, при которых соблюдались бы рассчитанные далее нормы кратности воздухообмена.

Вытяжная вентиляция представлена тремя центробежными вентиляторами марок ВЦ-4-76-12 (производительность 28000 м3/ч при n=350 об/мин, мощность асинхронного привода N=19,5 кВт) и ВЦ-4-76-10 (производительность 20000 м3/ч при n=270 об/мин, мощность асинхронного привода N=12,5 кВт). Аналогично приточной для вытяжной ветви вентиляции были экспериментально получены величины управляющих напряжений (табл. 4.2).

Для предотвращения состояние «кислородного голодания» у рабочих цехов, рассчитаем нормы воздухообмена при выбранных режимах работы вентиляторов. Он должен удовлетворять условию:

Таблица 4.2 Режимы работы вытяжной вентиляции

В расчете пренебрежем приточным воздухом, поступающим извне, а также архитектурой здания (стены, перекрытия).

Размеры помещений под вентилирование: 150х40х10 м, общий объем помещения равен Vпомещ?60000 м3 . Необходимый объем приточного воздуха равен 66000 м3 /ч (для коэффициента 1,1 - выбран минимальным, так как не учтен приток воздуха извне). Очевидно, что выбранные режимы работы приточного вентилятора удовлетворяют поставленному условию.

Суммарный объем вытянутого воздуха рассчитаем по следующей формуле

Для расчета вытяжной ветви выбраны режимы «экстренной вытяжки». С учетом поправочного коэффициента 1,1 (так как аварийный режим работы принят как наименее возможный) объем вытянутого воздуха будет равен 67,76 м3 /ч. Данное значение в рамках допустимых погрешностей и принятых ранее оговорок удовлетворяет условию (4.2), значит, выбранные режимы работы вентиляторов будут справляться с задачей обеспечения кратности воздухообмена.

Также в электродвигателях вентиляторов присутствует встроенная защита от перегрева (термостат). При возрастании температуры на двигателе релейный контакт термостата остановит работу электродвигателя. Датчик перепада давления зафиксирует остановку электродвигателя и выдаст сигнал на пульт управления. Необходимо предусмотреть реакцию САУ ПВВ на аварийную остановку двигателей вентиляторов.