Математична модель систем вентиляції. Математична модель теплового режиму приміщень при променистому опаленні. Припливне і витяжні відцентрові вентилятори

В роботі розглядаються процеси моделювання вентиляції і розсіювання її викидів в атмосфері. Моделювання засноване на рішенні системи рівнянь Нав'є-Стокса, законах збереження маси, імпульсу, теплоти. Розглянуто різні аспекти чисельного рішення даних рівнянь. Запропоновано систему рівнянь, що дозволяє розрахувати значення фонового коефіцієнта турбулентності. Для гіпозвукового наближення запропоновано рішення спільно з наведеними в статті рівняннями гідрогазодинаміки рівняння стояння ідеального реального газу і пари. Дане рівняння є модифікацією рівняння Ван-дер-Ваальса і більш точно враховує розміри молекул газу або пари і їх взаємодія. На підставі умови термодинамічної стійкості отримано співвідношення, яке дозволяє виключити фізично нездійсненні коріння при вирішенні рівняння щодо обсягу. Проводиться аналіз відомих розрахункових моделей і обчислювальних пакетів гідрогазодинаміки.

моделювання

вентиляція

турбулентність

рівняння тепломасопереносу

рівняння стану

реальний газ

диссипация

1. Берлянд М. Е. Сучасні проблеми атмосферної дифузії і забруднення атмосфери. - Л .: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.

2. Бєляєв Н. Н. Моделювання процесу розсіювання токсичного газу в умовах забудови // Вісник ДІІТ. - 2009. - № 26 - С. 83-85.

3. Бизова Н. Л. Експериментальні дослідження атмосферної дифузії та розрахунки розсіювання домішки / Н. Л. Бизова, Е. К. Гаргер, В. Н. Іванов. - Л .: Гидрометеоиздат, 1985. - 351 с.

4. Дацюк Т. А. Моделювання розсіювання вентиляційних викидів. - СПб: СПбГАСУ, 2000. - 210 с.

5. Сауц А. В. Застосування алгоритмів когнітивної графіки і методів математичного аналізу для вивчення термодинамічних властивостей изобутана R660A на лінії насичення: Грант № 2С / 10: звіт про НДР (укладе.) / ГОУВПО СПбГАСУ; рук. Горохів В.Л., ісп .: Сауц А.В.- СПб, 2011.- 30 с .: іл.- Бібліогр .: с. 30.- №ГР 01201067977.-Інв. №02201158567.

При проектуванні виробничих комплексів і унікальних об'єктів повинні бути всебічно обґрунтовані питання, пов'язані із забезпеченням якості повітряного середовища і нормованих параметрів мікроклімату. З огляду на високу ціну виготовлення, монтажу та експлуатації систем вентиляції та кондиціонування повітря, до якості інженерних розрахунків пред'являються підвищені вимоги. Для вибору раціональних проектних рішень в області вентиляції необхідно мати можливість проаналізувати ситуацію в цілому, тобто виявити просторову взаємозв'язок динамічних процесів, що відбуваються всередині приміщень і в атмосфері. Оцінити ефективність вентиляції, яка залежить не тільки від кількості повітря, що подається в приміщення, але і від прийнятої схеми розподілу повітря і концентрації шкідливих речовин в зовнішньому повітрі в місцях розташування воздухозабора.

мета статті- використання аналітичних залежностей, за допомогою яких виконуються розрахунки кількості шкідливих виділень, визначити розміри каналів, воздуховодов, шахт і вибір способу обробки повітря і т.д. При цьому доцільно використовувати програмний продукт «Потік» з модулем «VSV». Для підготовки вихідних даних необхідна наявність схем проектованих вентиляційних систем із зазначенням довжин ділянок і витрат повітря на кінцевих ділянках. Вхідними даними для розрахунку є опис систем вентиляції та вимоги, що пред'являються до неї. Використовуючи математичне моделювання, вирішуються такі питання:

• вибір оптимальних варіантів подачі і видалення повітря;
• розподіл параметрів мікроклімату за обсягом приміщень;
• оцінка аеродинамічного режиму забудови;
• вибір місць для забору повітря і видалення повітря.

Поля швидкості, тиску, температури, концентрацій в приміщенні і атмосфері формуються під дією багатьох факторів, сукупність яких врахувати в інженерних методах розрахунку досить складно без застосування ЕОМ.

Застосування математичного моделювання в задачах вентиляції і аеродинаміки засноване на рішенні системи рівнянь Нав'є - Стокса.

Для моделювання турбулентних потоків необхідно вирішувати систему рівнянь збереження маси і Рейнольдса (збереження імпульсу):

(2)

де t- час, X= X i , j , k- просторові координати, u=u i , j , k - компоненти вектора швидкості, р- пьезометрические тиск, ρ - щільність, τ ij- компоненти тензора напружень, s m- джерело маси, s i- компоненти джерела імпульсу.

Тензор напружень виражається у вигляді:

(3)

де s ij- тензор швидкостей деформації; δ ij- тензор додаткових напружень, що виникають через наявність турбулентності.

Для отримання інформації про поля температури Ті концентрації зшкідливих речовин система доповнюється такими рівняннями:

рівняння збереження кількості тепла

рівняння збереження пасивної домішки з

(5)

де Cр- коефіцієнт теплоємності, λ - коефіцієнт теплопровідності, k= k i , j , k- коефіцієнт турбулентності.

Базовий коефіцієнт турбулентності kбаз визначається за допомогою системи рівнянь:

(6)

де kф - фоновий коефіцієнт турбулентності, kф = 1-15 м 2 / с; ε = 0,1-04;

Коефіцієнти турбулентності визначаються за допомогою рівнянь:

(7)

На відкритій території при малій диссипации значення k z визначається за рівнянням:

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

де k 0 - значення k kна висоті z 0 (k 0 = 0,1 м 2 / с при z 0 = 2 м).

На відкритому майданчику профіль швидкостей вітру не деформований, тобто

При невідомої стратифікації атмосферної на відкритому майданчику профіль швидкостей вітру можна визначити:

; (9)

де z 0 - задана висота (висота флюгера); u 0 - швидкість вітру на висоті z 0 ; B = 0,15.

При дотриманні умови (10) локальний критерій Річардсона Riвизначається як:

(11)

Продифференцируем рівняння (9), прирівняємо рівняння (7) і (8), звідти висловимо kбаз

(12)

Прирівняємо рівняння (12) з рівняннями системи (6). В отримане рівність підставимо (11) і (9), в остаточному вигляді отримаємо систему рівнянь:

(13)

Пульсаційний член, слідуючи ідеям Буссінеска, представляється у вигляді:

(14)

де μ t- турбулентна в'язкість, а додаткові члени в рівняннях перенесення енергії і компоненти домішки моделюються наступним чином:

(15)

(16)

Замикання системи рівнянь відбувається за допомогою однієї з моделей турбулентності, описаних нижче.

Для турбулентних потоків, що вивчаються у вентиляційній практиці, доцільно використовувати або гіпотезу Буссінеска про малість змін щільності, або так зване «гіпозвуковое» наближення. Напруги Рейнольдса вважаються пропорційними осреднении за часом швидкостям деформацій. Вводиться коефіцієнт турбулентної в'язкості, дана концепція виражається як:

. (17)

Коефіцієнт ефективної в'язкості обчислюється як сума молекулярного і турбулентного коефіцієнтів:

(18)

«Гіпозвуковое» наближення передбачає вирішення спільно з наведеними вище рівняннями рівняння стояння ідеального газу:

ρ = p/(RT) (19)

де p - тиск в довкіллі; R- газова постійна.

Для більш точних розрахунків щільність домішки можна визначити, використовуючи модифіковане рівняння Ван-дер-Ваальса для реальних газів і парів

(20)

де константи Nі M- враховують асоціацію / дисоціацію молекул газу або пари; а- враховує інше взаємодія; b" - враховує розміри молекул газу; υ = 1 / ρ.

Виділяючи з рівняння (12) тиск рі диференціюючи його за обсягом (облік термодинамічної стійкості) вийде наступне співвідношення:

. (21)

Такий підхід дозволяє значно скоротити час розрахунків у порівнянні з випадком використання повних рівнянь для стиснення газу без зниження точності отриманих результатів. Аналітичного рішення наведених вище рівнянь не існує. У зв'язку з цим використовуються чисельні методи.

Для вирішення вентиляційних завдань, пов'язаних з перенесенням турбулентним потоком скалярних субстанцій, при вирішенні диференціальних рівнянь використовують схему розщеплення по фізичним процесам. Згідно з принципами розщеплення звичайно-різницеве ​​інтегрування рівнянь гідродинаміки і конвективно-дифузійного переносу скалярною субстанції на кожному кроці за часом Δ tздійснюється в два етапи. На першому етапі розраховуються гідродинамічні параметри. На другому етапі на основі розрахованих гідродинамічних полів вирішуються рівняння дифузії.

Вплив перенесення тепла на формування поля швидкостей повітря враховується за допомогою наближення Буссінеска: в рівняння руху для вертикальної компоненти швидкості вводиться додатковий член, що враховує сили плавучості.

Для вирішення завдань турбулентного руху рідини відомо чотири підходи:

• пряме моделювання «DNS» (рішення нестаціонарних рівнянь Нав'є - Стокса);
• рішення усереднених рівнянь Рейнольдса «RANS», система яких, однак, незамкнута і потребує додаткових замикаючих співвідношеннях;
• метод великих вихорів «LES » , Який заснований на вирішенні нестаціонарних рівнянь Нав'є - Стокса з параметризацією вихорів подсеточной масштабу;
• метод «DES» , який є комбінацією двох методів: в зоні відривних течій - «LES», а в області «гладкого» потоки - «RANS».

Найбільш привабливим з точки зору точності одержуваних результатів, безперечно, є метод прямого чисельного моделювання. Однак в даний час можливості обчислювальної техніки ще не дозволяють вирішувати завдання з реальними геометрією і числами Re, І з дозволом вихорів всіх розмірів. Тому при вирішенні широкого спектра інженерних задач застосовують чисельні рішення рівнянь Рейнольдса.

В даний час успішно застосовуються для моделювання задач вентиляції сертифіковані пакети, такі як «STAR-CD», «FLUENT» або «ANSYS / FLOTRAN». При правильно сформульованої задачі і раціональному алгоритмі рішення отримується обсяг інформації дозволяє на стадії проектування вибрати оптимальний варіант, але виконання розрахунків з використанням даних програм вимагає відповідної підготовки, і некоректне їх використання може призвести до помилкових результатів.

Як «базового варіанту» можна розглядати результати загальновизнаних балансових методів розрахунку, які дозволяють порівняти інтегральні величини, характерні для даної задачі.

Одним з важливих моментів при використанні універсальних програмних комплексів для вирішення задач вентиляції є вибір моделі турбулентності. До теперішнього часу відомо велика кількість різних моделей турбулентності, які застосовуються для замикання рівнянь Рейнольдса. Моделі турбулентності класифікуються за кількістю параметрів для характеристик турбулентності, відповідно однопараметричними, дво- і трипараметричної.

Більшість напівемпіричних моделей турбулентності, так чи інакше, використовують «гіпотезу локальності механізму турбулентного перенесення», згідно з якою механізм турбулентного перенесення імпульсу повністю визначається завданням локальних похідних від усереднених швидкостей і фізичних властивостей рідини. Вплив процесів, що відбуваються далеко від даної точки, дана гіпотеза не враховує.

Найбільш простими є однопараметричними моделі, що використовують концепцію турбулентної в'язкості «n t», А турбулентність передбачається ізотропної. Модифікований варіант моделі «n t-92 »рекомендується при моделюванні струменевих і відривних течій. Гарний збіг з результатами експерименту дає також однопараметрична модель «S-A» (Спаларта - Альмарас), яка містить рівняння переносу для величини.

Недолік моделей з одним рівнянням переносу пов'язаний з тим, що в них відсутня інформація про розподіл масштабу турбулентності L. на величину Lвпливають процеси переносу, способи формування турбулентності, диссипация турбулентної енергії. Універсальної залежності для визначення Lне існує. Рівняння для масштабу турбулентності Lчасто виявляється саме тим рівнянням, яке визначає точність моделі і, відповідно, область її застосування. В основному область застосування цих моделей обмежується відносно простими зсувними течіями.

У двопараметричних моделях, крім масштабу турбулентності L, Використовують в якості другого параметра швидкість дисипації турбулентної енергії . Такі моделі найбільш часто використовуються в сучасній обчислювальній практиці і містять рівняння переносу енергії турбулентності і дисипації енергії.

Добре відома модель, що включає рівняння для перенесення енергії турбулентності k і швидкості дисипації турбулентної енергії ε. Моделі типу « k- e » можуть використовуватися як для пристінкових течій, так і для більш складних відривних течій.

Двопараметричного моделі використовуються в низько- і високорейнольдсовой версії. У першій - механізм взаємодії молекулярного і турбулентного перенесення поблизу твердої поверхні враховується безпосередньо. У високорейнольдсовой версії механізм турбулентного перенесення поблизу твердої кордону описується спеціальними пристінковий функціями, які пов'язують параметри потоку з відстанню до стінки.

В даний час до числа найбільш перспективних відносять моделі «SSG» і «Gibson-Launder», де використовується нелінійна зв'язок тензора турбулентних напруг Рейнольдса і тензора усереднених швидкостей деформацій. Вони розроблялися для поліпшення прогнозування відривних течій. Оскільки в них розраховуються всі компоненти тензорів, вони вимагають великих комп'ютерних ресурсів в порівнянні з двопараметричного моделями.

Для складних відривних течій деякі переваги виявило застосування однопараметрических моделей «n t-92 »,« S-А »по точності передбачення параметрів течії і за швидкістю підрахунку в порівнянні з двопараметричного моделями.

Наприклад, в програмі «STAR-CD» передбачено використання моделей типу « k- e », Спаларта - Альмарас,« SSG »,« Gibson-Launder », а також метод великих вихорів« LES », і метод« DES ». Два останніх методу краще підходять для розрахунку руху повітря в умовах складної геометрії, де будуть виникати численні відривні вихрові області, але вони вимагають великих обчислювальних ресурсів.

Результати розрахунків значно залежать від вибору розрахункової сітки. В даний час використовуються спеціальні програми для побудови сіток. Осередки сітки можуть мати різну форму і розміри, найкраще підходять для вирішення конкретного завдання. Найбільш простий вид сітки, коли осередки однакові і мають кубічну або прямокутну форму. Універсальні обчислювальні програми, що застосовуються зараз в інженерній практиці, дозволяють працювати на довільних неструктурованих сітках.

Для виконання розрахунків чисельного моделювання задач вентиляції необхідно завдання граничних і початкових умов, тобто значень залежних змінних або їх нормальних градієнтів на кордонах розрахункової області.

Завдання з достатнім ступенем точності геометричних особливостей досліджуваного об'єкта. Для цих цілей можна рекомендувати для побудови тривимірних моделей такі пакети, як «SolidWorks», «Pro / Engeneer», «NX Nastran». При побудові розрахункової сітки кількість осередків вибирається так, щоб отримати достовірне рішення при мінімальному часу розрахунку. Вибрати слід одну з напівемпіричних моделей турбулентності, яка є найбільш ефективною для даної течії.

В висновокдодамо, що необхідно добре розуміння якісної сторони процесів, що відбуваються, щоб коректно сформулювати граничні умови задачі і оцінити достовірність результатів. Моделювання вентиляційних викидів на стадії проектування об'єктів можна розглядати як один з аспектів інформаційного моделювання, спрямованого на забезпечення екологічної безпеки об'єкта.

рецензенти:

• Воликов Анатолій Миколайович, доктор технічних наук, професор кафедри теплогазопостачання та охорони повітряного басейну, ФГБОУ ВПОУ «СПбГАСУ», м.Санкт-Петербург.
• Полушкин Віталій Іванович, доктор технічних наук, професор, професор кафедри опалення, вентиляції та кондиціонування повітря, ФГБОУ ВПО «СПбГАСУ», м.Санкт-Петербург.

бібліографічна посилання

Прогнозування теплового режиму в обслуговуваних зонах є багатофакторним завданням. Відомо, що тепловий режим створюється за допомогою систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря. Однак при проектуванні систем опалення не враховується вплив повітряних потоків, що створюються іншими системами. Почасти це пов'язано з тим, що вплив повітряних потоків на тепловий режим може бути незначним при нормативної рухливості повітря в обслуговуваних зонах.

Застосування систем променевого опалення вимагає нових підходів. Сюди відносяться необхідність виконання норм опромінених людини на робочих місцях і облік розподілу променистого тепла по внутрішніх поверхнях огороджувальних конструкцій. Адже при променистому опаленні переважно нагріваються ці поверхні, які, в свою чергу, віддають тепло в приміщення конвекцією і випромінюванням. Саме за рахунок цього підтримується необхідна температура внутрішнього повітря.

Як правило, для більшості видів приміщень поряд з системами опалення потрібно влаштовувати систем вентиляції. Так, при використанні систем газового променевого опалення приміщення повинно бути обладнане системами вентиляції. Мінімальний повітрообмін приміщень з виділенням шкідливих газів і парів обговорений СП 60.13330.12. Опалення вентиляція і кондиціювання повітря і складає не менше однократного, а при висоті більше 6 м - не менше 6 м 3 на 1 м 2 площі підлоги. Крім того, продуктивність систем вентиляції визначається також призначенням приміщень і розраховується з умов асиміляції тепло- або газовиділень або компенсації місцевих відсмоктувачів. Природно, величина повітрообміну повинна перевірятися і на умова асиміляції продуктів згоряння. Компенсація обсягів повітря, що видаляється здійснюється системами припливної вентиляції. При цьому істотна роль у формуванні теплового режиму в обслуговуваних зонах належить припливним струменів і вноситься ними теплоту.

Метод дослідження і результати

Таким чином, виникає необхідність розробки наближеною математичної моделі складних процесів тепло- і масообміну, що відбуваються в приміщенні при променистому опаленні і вентиляції. Математична модель являє собою систему рівнянь повітряно-теплових балансів для характерних обсягів і поверхонь приміщення.

Рішення системи дозволяє визначити параметри повітря в обслуговуваних зонах при різних варіантах розміщення приладів променистого опалення з урахуванням впливу систем вентиляції.

Побудова математичної моделі розглянемо на прикладі виробничого приміщення, обладнаного системою променистого опалення і не має інших джерел тепловиділень. Теплові потоки від випромінювачів розподіляються наступним чином. Конвективні потоки піднімаються в верхню зону під перекриття і віддають тепло внутрішньої поверхні. Промениста складова теплового потоку випромінювача сприймається внутрішніми поверхонь зовнішніх огороджувальних конструкцій приміщення. У свою чергу ці поверхні віддають тепло конвекцією внутрішньому повітрю і випромінюванням - іншим внутрішніх поверхонь. Частина тепла передається через зовнішні огороджувальні конструкції зовнішнього повітря. Розрахункова схема теплообміну приведена на рис. 1а.

Побудова матмоделі розглянемо на прикладі виробничого приміщення, обладнаного системою променистого опалення і не має інших джерел тепловиділень. Конвективні потоки піднімаються в верхню зону під перекриття і віддають тепло внутрішньої поверхні. Промениста складова теплового потоку випромінювача сприймається внутрішніми поверхонь зовнішніх огороджувальних конструкцій приміщення

Далі розглянемо побудова схеми циркуляції повітряних потоків (рис. 1б). Приймемо схему організації повітрообміну «зверху-вгору». Повітря подається в кількості Мпр в напрямку обслуговується зони та видаляється з верхньої зони з витратою Мв = Мпр. На рівні верху обслуговується зони витрата повітря в струмені становить Мстр. Приріст витрати повітря в припливної струмені відбувається за рахунок циркуляційного повітря, від'єднують від струменя.

Введемо умовні кордони потоків - поверхонь, на яких швидкості мають тільки нормальні до них складові. На рис. 1б кордону потоків показані штриховою лінією. Потім виділимо розрахункові обсяги: яку обслуговує зона (простір з постійним перебуванням людей); обсяги припливної струменя і пристінних конвективних потоків. Напрямок пристінних конвективних потоків залежить від співвідношення температур внутрішньої поверхні зовнішніх огороджувальних конструкцій і навколишнього повітря. На рис. 1б приведена схема з спадаючим пристінним конвективних потоком.

Отже, температура повітря в обслуговуваній зоні t wz формується в результаті змішування повітря припливних струменів, пристінних конвективних потоків і надходжень конвективного тепла від внутрішніх поверхонь підлоги і стін.

З урахуванням розроблених схем теплообміну і циркуляції повітряних потоків (рис. 1) складемо рівняння теплоповітряного балансів для виділених обсягів:

тут з- теплоємність повітря, Дж / (кг · ° С); Qвід - потужність системи газового променевого опалення, Вт; Qз і Q* З - конвективна тепловіддача у внутрішніх поверхонь стіни в межах обслуговуваної зони і стіни вище обслуговується зони, Вт; tСтор, t c і t wz - температури повітря в припливної струмені на вході в робочу зону, в пристінному конвективном потоці і в робочій зоні, ° C; Qтп - тепловтрати приміщення, Вт, що дорівнюють сумі втрат тепла через зовнішні огороджувальні конструкції:

Витрата повітря в припливної струмені на вході в обслуговується зону розраховується з використанням залежностей, отриманих М. І. Грімітліним.

Наприклад, для розподільників повітря, створюють компактні струменя, витрата в струмені дорівнює:

де m- коефіцієнт загасання швидкості; F 0 - площа перетину вхідного патрубка розподільника повітря, м 2; x- відстань від розподільника повітря до місця входу в обслуговується зону, м; Дон - коефіцієнт неізотермічних.

Витрата повітря в пристінному конвективном потоці визначається по:

де tз - температура внутрішньої поверхні зовнішніх стін, ° C.

Рівняння теплового балансу для граничних поверхонь мають вигляд:

тут Q c, Q* C, Qпл і Qпт - конвективна тепловіддача у внутрішніх поверхонь стіни в межах обслуговуваної зони - стіни вище обслуговується зони, статі та покриття, відповідно; Qтп.с, Q* Тп.с, Qтп.пл, Qтп.пт - тепловтрати через відповідні конструкції; Wс, W* C, Wпл, Wпт - променисті теплові потоки від випромінювача, що надходять на ці поверхні. Конвективная тепловіддача визначається за відомою залежністю:

де m J - коефіцієнт, який визначається з урахуванням положення поверхні і напрямки теплового потоку; F J - площа поверхні, м 2; Δ t J - різниця температур поверхні і навколишнього повітря, ° C; J- індекс виду поверхні.

тепловтрати QТJ можна виразити як

де tн - температура зовнішнього повітря, ° C; t J - температури внутрішніх поверхонь зовнішніх огороджувальних конструкцій, ° C; Rі Rн - опору термічне і тепловіддачі зовнішнього огородження, м 2 · ° С / Вт.

Отримано матмоделі процесів тепло- і масообміну при спільній дії променистого опалення та вентиляції. Результати рішення дозволяють отримати основні характеристики теплового режиму при проектуванні систем променевого опалення будівель різного призначення, обладнаних системами вентиляції

Променисті теплові потоки від випромінювачів систем променевого опалення Wjрозраховуються через взаємні площі випромінювання за методикою для довільної орієнтації випромінювачів і оточуючих поверхонь:

де з 0 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт / (м 2 · К 4); ε IJ - приведена ступінь чорноти беруть участь в теплообміні поверхонь Iі J; H IJ - взаємна площа випромінювання поверхонь Iі J, М 2; T I - середня температура поверхні, що випромінює, яка визначається з теплового балансу випромінювача, К; T J - температура теплосприймаючої поверхні, К.

При підстановці виразів для теплових потоків і витрат повітря в струменях отримуємо систему рівнянь, які є наближеною математичною моделлю процесів тепло- і масообміну при променистому опаленні. Для вирішення системи можуть бути використані стандартні комп'ютерні програми.

Отримана математична модель процесів тепло- і масообміну при спільній дії променистого опалення та вентиляції. Результати рішення дозволяють отримати основні характеристики теплового режиму при проектуванні систем променевого опалення будівель різного призначення, обладнаних системами вентиляції.

Шановні члени атестаційної комісії, представляю вашій увазі випускну кваліфікаційну роботу, мета якої - розробка системи автоматичного управління припливно-витяжною вентиляцією виробничих цехів.

Відомо, що автоматизація - один з найважливіших чинників зростання продуктивності праці в промисловому виробництві, зростання якості продукції та послуг. Постійне розширення сфери автоматизації є однією з головних особливостей промисловості на даному етапі. Розроблюваний дипломний проект є однією з ідей успадкування розвивається концепції побудови «інтелектуальних» будинків, тобто об'єктів, в яких умови життєдіяльності людини контролюються технічними засобами.

Основні завдання, які вирішуються в проектування - модернізація існуючої на об'єкті впровадження - виробничих цехах ВАТ «ВОМЗ» - системи вентилювання повітря для забезпечення її економічності (економія по витраті енерго- і теплоресурсів, скорочення витрат на обслуговування системи, зменшення часу простою), підтримці комфортного мікроклімату і чистоти повітря в робочих зонах, працездатності і стійкості, надійності роботи системи в аварійних / критичних режимах.

Проблема, що розглядається в дипломному проекті, обумовлена ​​моральним і технічним старінням (зносом) існуючої системи управління ЗВР. Розподілений принцип, застосований при побудові ПВВ виключає можливість централізованого управління (запуску і моніторингу стану). Відсутність чіткого алгоритму пуску / зупинки системи також робить систему ненадійною внаслідок людських помилок, а відсутність аварійних режимів роботи - нестійкою по відношенню до важливість справ.

Актуальність проблеми дипломного проектування обумовлена ​​загальним зростанням захворюваності дихальних шляхів і застудних захворювань робітників, загальним падінням продуктивності праці і якості продукції, що випускається на даній ділянці. Розробка нової САУ ПВВ безпосередньо пов'язана з політикою заводу в області якості (ISO 9000), а також з програмами модернізації заводського обладнання та автоматизації систем життєзабезпечення цехів.

Центральним елементом, що управляє системи є шафа автоматики з мікро контролером і апаратурою, обраний за результатами маркетингового дослідження (плакат 1). Існує безліч ринкових пропозицій, однак вбрання обладнання є як мінімум не гірше за своїх аналогів. Важливим критерієм виступала і вартість, енергоспоживання і захисне виконання обладнання.

Функціональна схема автоматизації ПВВ приведена на кресленні 1. В якості основного при проектуванні САУ обраний централізований підхід, що дозволяє мобільно привести систему в разі потреби до реалізації згідно змішаного підходу, що припускає можливість диспетчеризації і зв'язків з іншими промисловими мережами. Централізований підхід є добре масштабується, досить гнучким - всі ці якісні властивості визначаються обраним мікро контролером - WAGO I / O System, а також реалізацією керуючої програми.

В ході проектування були обрані елементи автоматизації - виконавчі механізми, датчики, критерієм вибору виступали функціональність, стійкість роботи в критичних режимах, діапазон виміру / контролю параметра, особливості монтажу, форма видачі сигналу, режими роботи. Обрані головні математичні моделі і промоделювати робота системи регулювання температури повітря з керуванням положенням заслінки триходового клапана. Моделювання проводилося в середовищі VisSim.

Для регулювання був обраний метод «балансування параметра» в області контрольованих значень. В якості закону регулювання обраний пропорційний, так як не пред'являється високих вимог до точності і швидкодії системи, а діапазони зміни вхідних / вихідний величин невеликі. Функції регулятора виконує один з портів контролера відповідно до керуючої програмою. Результати моделювання даного блоку представлені на плакаті 2.

Алгоритм роботи системи представлений на кресленні 2. Реалізує цей алгоритм керуюча програма по структурі складається з функціональних блоків, блоку констант, використовуються стандартні і спеціалізовані функції. Гнучкість і масштабованість системи забезпечується як програмно (використання ФБ, констант, міток і переходів, компактність програми в пам'яті контролера), так і технічно (економне використання портів введення / виводу, резервні порти).

Програмно передбачені дії системи в аварійних режимах (перегрів, поломка вентилятора. Переохолодження, засмічення фільтра. Пожежа). Алгоритм дії системи в режимі протипожежного захисту представлений на кресленні 3. Даний алгоритм враховує вимоги стандартів по часу евакуації і діях ПВВ при пожежі. В цілому, застосування даного алгоритму ефективно і доведено випробуваннями. Також було вирішено завдання модернізації витяжних парасольок в плані пожежної безпеки. Знайдені рішення були розглянуті і прийняті як рекомендаційні.

Надійність спроектованої системи цілком залежить від надійності програмного забезпечення і від контролера в цілому. Розроблена керуюча програма була піддана процесу налагодження, ручного, структурному і функціональному тестуванню. Для забезпечення надійності та дотримання умов гарантії на обладнання автоматизації вибиралися тільки рекомендовані і сертифіковані агрегати. Гарантія виробника на обраний шафа автоматики за умови дотримань гарантійних зобов'язань - 5 років.

Також була розроблена узагальнена структура системи, побудована тактова циклограмма роботи системи, сформована таблиця з'єднань і маркування кабелів, схема монтажу САУ.

Економічні показники проекту, розраховані мною в організаційно-економічної частини зображені на плакаті №3. На цьому ж плакаті відображений стрічковий графік процесу проектування. Для оцінки якості керуючої програми використовувалися критерії згідно ГОСТ Рісо / IEC 926-93. Оцінка економічної ефективності розробки виконувалася за допомогою SWOT-аналізу. Очевидно, що проектована система володіє невисокою собівартістю (структура витрат - плакат 3) і досить швидкими термінами окупності (при розрахунках з використанням мінімальних величин економії). Таким чином, можна зробити висновок про високу економічну ефективність розробки.

Крім того, були вирішені питання охорони праці, забезпечення електробезпеки і екологічності системи. Обґрунтовано вибір струмопровідних кабелів, фільтрів повітропроводів.

Таким чином, в результаті виконання дипломної роботи розроблено проект модернізації, оптимальний по відношенню до всіх поставленим вимогам. Даний проект рекомендований до впровадження згідно з термінами модернізації заводського обладнання.

Якщо економічність і якість проекту будуть підтверджені випробувальним терміном, планується реалізація диспетчерського рівня з використанням локальної мережі підприємства, а також модернізація вентиляції інших виробничих приміщень з метою об'єднання їх в єдину промислову мережу. Відповідно, до даних етапах відноситься розробка програмного забезпечення диспетчера, ведення журналів стану системи, помилок, аварій (БД), організація АРМ або контрольного поста управління (КПУ) Можливо поширення проектних рішень для вирішення завдань управління повітряно-тепловими завісами цехів. Також можлива відпрацювання слабких місць існуючої системи, таких як модернізація очисних агрегатів, а також доопрацювання повітрозабірних клапанів механізмом від замерзання.

анотація

Дипломний проект включає введення, 8 розділів, висновок, список використаних джерел, додатки і становить 141 сторінку машинописного тексту з ілюстраціями.

У першому розділі наводиться огляд і аналіз необхідності проектування системи автоматичного керування припливно-витяжною вентиляцією (САУ ПВВ) виробничих цехів, маркетингове дослідження шаф автоматики. Розглядаються типові схеми вентиляції і альтернативні підходи до вирішення завдань дипломного проектування.

У другому розділі дається опис існуючої системи ПВВ на об'єкті впровадження - ВАТ «ВОМЗ», як технологічного процесу. Формується узагальнена структурна схема автоматизації технологічного процесу підготовки повітря.

У третьому розділі сформульовано розширене технічну пропозицію щодо вирішення завдань дипломного проектування.

Четвертий розділ присвячений розробці САУ ПВВ. Обрані елементи автоматизації і управління, представлені їх технічні та математичні описи. Описано алгоритм регулювання температури припливного повітря. Сформована модель і проведено моделювання роботи САУ ПВВ з підтримки температури повітря в приміщенні. Обрана і обгрунтована електрична проводка. Побудована тактова циклограмма роботи системи.

У п'ятому розділі наведені технічні характеристики програмованого логічного контролера (ПЛК) WAGO I / O System. Наведено таблиці з'єднань датчиків і виконавчих пристроїв з портами ПЛК, в т.ч. і віртуальними.

Шостий розділ присвячений розробці алгоритмів функціонування та написання керуючої програми ПЛК. Обґрунтовано вибір середовища програмування. Наведено блок-алгоритми відпрацювання системою аварійних ситуацій, блок-алгоритми функціональних блоків, що вирішують завдання запуску, управління та регулювання. В розділ включені результати тестування і налагодження керуючої програми ПЛК.

У сьомому розділі розглядається безпеку і екологічність проекту. Проводиться аналіз небезпечних і шкідливих факторів при експлуатації САУ ПВВ, наводяться рішення з охорони праці та забезпечення екологічності проекту. Розробляється захист системи від аварійних ситуацій, в т.ч. посилення системи в плані пожарозащіщенності і забезпечення стійкості функціонування при надзвичайних ситуаціях. Наведено розроблена принципова функціональна схема автоматизації зі специфікацією.

Восьмий розділ присвячений організаційно-економічного обгрунтування розробки. Наводиться розрахунок собівартості, економічності і термінів окупності проектної розробки, в т.ч. з урахуванням етапу впровадження. Відображено стадії розробки проекту, оцінена трудомісткість робіт. Наведено оцінку економічної ефективності проекту з використанням SWOT-аналізу розробки.

У висновку наведено висновки з дипломного проекту.

Вступ

Автоматизація є одним з найважливіших чинників зростання продуктивності праці в промисловому виробництві. Безперервним умовою прискорення темпів зростання автоматизації є розвиток технічних засобів автоматизації. До технічних засобів автоматизації відносяться всі пристрої, що входять в систему управління і призначені для отримання інформації, її передачі, зберігання і перетворення, а також для здійснення керуючих і регулюючих впливів на технологічний об'єкт управління.

Розвитку технологічних засобів автоматизації є складним процесом, в основі якого лежать інтереси автоматизуються виробництв споживачів, з одного боку і економічні можливості підприємств - виробників з іншого. Первинним стимулом розвитку є підвищення ефективності роботи виробництв - споживачів, за рахунок впровадження нової техніки можуть бути доцільними тільки за умови швидкої окупності витрат. Тому критерієм всіх рішень по розробкам і впровадженню нових засобів, повинен бути сумарний економічний ефект, з урахуванням всіх витрат на розробку, виробництво і впровадження. Відповідно до розробки, виготовлення слід приймати, перш за все, ті варіанти технічних засобів, які забезпечую максимум сумарного ефекту.

Постійне розширення сфери автоматизації є однією з головних особливостей промисловості на даному етапі.

Особлива увага приділяється питанням промислової екології та безпеки праці виробництва. При проектуванні сучасної технології, обладнання та конструкцій необхідно науково обгрунтовано підходити до розробки безпеки і нешкідливості робіт.

На сучасному етапі розвитку народного господарства країни одним з основних завдань є підвищення ефективності суспільного виробництва на основі науково-технічного процесу та більш повне використання всіх резервів. Це завдання нерозривно пов'язана з проблемою оптимізації проектних рішень, мета яких полягає в створенні необхідних передумов для підвищення ефективності капіталовкладень, скорочення термінів їх окупності і забезпечення найбільшого приросту продукції на кожен витрачений рубль. Підвищення продуктивності праці, випуск якісної продукції, поліпшення умов праці і відпочинку трудящих забезпечують системи вентиляції повітря, які створюють необхідний мікроклімат і якість повітряного середовища в приміщеннях.

Мета дипломного проекту - розробка системи автоматичного управління припливно-витяжною вентиляцією (САУ ПВВ) виробничих цехів.

Проблема, що розглядається в дипломному проекті, обумовлена ​​зносом існуючої на ВАТ «Вологодський оптико-механічний завод» системи автоматики ПВВ. Крім того, система спроектована розподілений, що виключає можливість централізованого управління і моніторингу. Як об'єкт впровадження обрана ділянка лиття під тиском (В-категорія щодо пожежної безпеки), а також прилеглі до нього приміщення - ділянку верстатів ЧПУ, планово-диспетчерське бюро, склади.

Завдання дипломного проекту сформульовані в результаті дослідження поточного стану САУ ПВВ і на підставі аналітичного огляду, наведені в розділі 3 «Технічна пропозиція».

Використання керованої вентиляції відкриває нові можливості для вирішення поставлених вище завдань. Розробляється система автоматичного управління повинна бути оптимальною щодо виконання зазначених функцій.

Як уже було відзначено вище, актуальність розробки обумовлена ​​як старінням існуючої САУ ПВВ, збільшенням кількості ремонтних робіт на вентиляційних «трасах», так і загальним зростанням захворюваності дихальних шляхів і застудних захворювань робітників, тенденцією погіршення самопочуття при довгих роботах, і, як наслідок, загальним падінням продуктивності праці і якості продукції, що виробляється. Важливо відзначити той факт, що існуюча САУ ПВВ не пов'язана з пожежною автоматикою, що є неприпустимим для подібного роду виробництв. Розробка нової САУ ПВВ безпосередньо пов'язана з політикою заводу в області якості (ISO 9000), а також з програмами модернізації заводського обладнання та автоматизації систем життєзабезпечення цехів.

У дипломному проекті використовуються інтернет - ресурси (форуми, електронні бібліотеки, статті та публікації, електронні портали), а також технічна література необхідної предметної області та тексти стандартів (ГОСТ, СНИП, СанПіН). Також розробка САУ ПВВ ведеться з урахуванням пропозицій і рекомендацій фахівців, на підставі наявних монтажних планів, кабельних трас, систем повітроводів.

Варто відзначити, що порушена в дипломному проекті проблема має місце бути практично на всіх старих заводах оборонно-промислового комплексу, переобладнання цехів - одна з найбільш важливих завдань в плані забезпечення якості продукції для кінцевого споживача. Таким чином, в дипломному проектуванні буде відображений накопичений досвід вирішення подібних завдань на підприємствах зі схожим типом виробництва.

1. Аналітичний огляд

1.1 Загальний аналіз необхідності проектування САУ ПВВ

Найважливішим джерелом економії паливно-енергетичних ресурсів, що витрачаються на теплопостачання великих виробничих будівель зі значним споживанням теплової та електричної енергії, є підвищення ефективності роботи системи припливно-витяжної вентиляції (ЗВР) на основі використання сучасних досягнень обчислювальної і керуючої техніки.

Зазвичай для управління системою вентиляції служать кошти локальної автоматики. Основним недоліком такого регулювання є те, що воно не враховує фактичний повітряний і тепловий баланс будівлі та реальні погодні умови: температуру зовнішнього повітря, швидкість і напрям вітру, атмосферний тиск.

Тому під впливом засобів локальної автоматики система вентилювання повітря працює, як правило, не в оптимальному режимі.

Ефективність роботи системи припливно-витяжної вентиляції можна значно збільшити, якщо здійснювати оптимальне керування системами, засноване на використанні комплексу відповідних технічних і програмних засобів.

Формування теплового режиму можна уявити як взаємодію обурюють і регулюючих чинників. Для визначення керуючого впливу потрібна інформація про властивості і кількості вхідних і вихідних параметрів і умови протікання процесу передачі тепла. Так як метою управління вентиляційним обладнанням є забезпечення необхідних умов повітряного середовища в робочій зоні приміщень будівель при мінімальних енергетичних і матеріальних витратах, то за допомогою ЕОМ можна буде знайти оптимальний варіант і виробити відповідні управляючі на цю систему. В результаті ЕОМ з відповідним комплексом технічних і програмних засобів утворює автоматизовану систему управління тепловим режимом приміщень будівель (АСУ ТРП). При цьому варто відзначити також, що під ЕОМ можна розуміти і пульт управління ЗВР, і пульт моніторингу стану ЗВР, а також найпростіший комп'ютер з програмою моделювання САУ ПВВ, обробки результатів і оперативного управління на їх основі.

Система автоматичного управління - це сукупність об'єкта управління (керованого технологічного процесу) і керуючих пристроїв, взаємодія яких забезпечує автоматичне протікання процесу відповідно до заданої програми. При цьому під технологічним процесом розуміється послідовність операцій, які необхідно виконати, щоб з вихідної сировини отримати готовий продукт. У разі ПВВ готовим продуктом є повітря в приміщенні, що обслуговується з заданими параметрами (температура, газовий склад і т.д.), а сировиною - зовнішній і витяжної повітря, теплоносії, електроенергія та ін.

В основу функціонування САУ ПВВ, як і будь-якої системи управління, повинен бути покладений принцип зворотного зв'язку (ОС): вироблення керуючих впливів на основі інформації про об'єкт, отриманої за допомогою датчиків, встановлених або розподілених на об'єкті.

Кожна конкретна САУ розробляється виходячи із заданої технології обробки вхідного потоку повітря. Часто система припливно-витяжної вентиляції пов'язана з системою кондиціонування (підготовки) повітря, що відбивається і в проектуванні керуючої автоматики.

При застосуванні автономних пристроїв або комплектних технологічних установок обробки повітря САУ поставляються вже вбудованими в обладнання і вже закладеними певними функціями управління, які зазвичай детально описуються в технічній документації. В цьому випадку налагодження, сервісне обслуговування і експлуатація таких систем управління повинні проводитися в точній відповідності з вказаною документацією.

Аналіз технічних рішень сучасних ПВВ передових фірм - виробників вентиляційного устаткування показав, що керуючі функції можна умовно розділити на дві категорії:

Функції управління, які визначаються технологією і обладнанням обробки повітря;

Додаткові функції, які здебільшого є сервісними, представляються як ноу-хау фірм і тут не розглядаються.

У загальному вигляді основні технологічні функції управління ЗВР можуть бути розділені на наступні групи (рис. 1.1)

Мал. 1.1 - Основні технологічні функції управління ЗВР

Опишемо, що мається на увазі під функціями ПВВ, представленими на рис. 1.1.

1.1.1 Функція «контроль і реєстрація параметрів»

Відповідно до СНиП 2.04.05-91 обов'язковими параметрами контролю є:

Температура і тиск в загальних подавальному та зворотному трубопроводах і на виході кожного теплообмінника;

Температура повітря зовнішнього, припливного після теплообмінника, а також температура в приміщенні;

Норми ГДК шкідливих речовин в витягати з приміщення повітрі (наявність газів, продуктів горіння, нетоксичного пилу).

Інші параметри в системах припливно-витяжної вентиляції контролюються на вимогу технічних умов на обладнання або за умовою експлуатації.

Дистанційний контроль передбачають для вимірювання основних параметрів технологічного процесу або параметрів, задіяних в реалізації інших функцій управління. Такий контроль здійснюється за допомогою датчиків і вимірювальних перетворювачів з висновком (при необхідності) виміряних параметрів на індикатор або екран керуючого приладу (пульт управління, монітор ЕОМ).

Для вимірювання інших параметрів зазвичай використовують місцеві (переносні або стаціонарні) прилади - показують термометри, манометри, пристрої спектрального аналізу складу повітря і т.п.

Застосування місцевих контролюючих приладів не порушує основний принцип систем управління - принцип зворотного зв'язку. У цьому випадку він реалізується або за допомогою людини (оператора або обслуговуючого персоналу), або за допомогою керуючої програми, «захистом» в пам'ять мікропроцесора.

1.1.2 Функція «оперативне і програмне керування»

Важливим є реалізувати таку опцію, як «послідовність пуску». Для забезпечення нормального пуску системи ПВВ слід враховувати:

Попереднє відкриття повітряних заслінок до пуску вентиляторів. Це виконується в зв'язку з тим, що не всі заслінки в закритому стані можуть витримати перепад тисків, що створюється вентилятором, а час повного відкриття заслінки електроприводом доходить до двох хвилин.

Рознесення моментів запуску електродвигунів. Асинхронні електродвигуни часто можуть мати великі пускові струми. Якщо одночасно запустити вентилятори приводи повітряних заслінок і інші приводи, то через велике навантаження на електричну мережу будівлі сильно впаде напруга, і електродвигуни можуть не запуститися. Тому запуск електродвигунів, особливо великої потужності, необхідно розносити по часу.

Попередній прогрів калорифера. Якщо не здійснити попередній прогрів водяного калорифера, то при низькій температурі зовнішнього повітря може спрацювати захист від заморожування. Тому при запуску системи необхідно відкрити заслінки припливного повітря, відкрити триходовий клапан водяного калорифера і прогріти калорифер. Як правило, ця функція включається при температурі зовнішнього повітря нижче 12 ° С.

Зворотній опція - «послідовність зупинки» При відключенні системи слід враховувати:

Затримку зупинки вентилятора припливного повітря в установках з електрокалорифером. Після зняття напруги з електрокалорифера слід охолоджувати його деякий час, не вимикаючи вентилятор припливного повітря. В іншому випадку нагрівальний елемент калорифера (теплової електричний нагрівач - ТЕН) може вийти з ладу. Для існуючих завдань дипломного проектування дана опція не є важливою внаслідок використання водяного калорифера, проте важливо відзначити і її.

Таким чином, на підставі виділених опцій оперативного і програмного управління можна уявити типовий графік включення і відключення апаратів пристроїв ПВВ.

Мал. 1.2 - Типова циклограмма роботи САУ ПВВ з водяним калорифером

Весь цей цикл (рис. 1.2) система повинна відпрацьовувати автоматично, а, крім того, повинен бути передбачений індивідуальний пуск обладнання, яке необхідне при налагодженні і профілактичних роботах.

Важливе значення мають функції програмного управління, такі як зміна режиму «зима-літо». Особливо актуальна реалізація цих функцій в сучасних умовах дефіциту енергетичних ресурсів. У нормативних документах виконання цієї функції носить рекомендаційний характер - «для суспільних, адміністративно-побутових і виробничих будинків слід, як правило, передбачати програмне регулювання параметрів, що забезпечує зниження витрат теплоти».

У найпростішому випадку ці функції передбачають або взагалі відключення ПВВ в певний момент часу, або зниження (підвищення) заданого значення регульованого параметра (наприклад, температури) в залежності від зміни теплових навантажень в приміщенні, що обслуговується.

Більш ефективним, але і більш складним в реалізації, є програмне управління, що передбачає автоматичну зміну структури ЗВР і алгоритму її функціонування не тільки в традиційному режимі «зима-літо», а й в перехідних режимах. Аналіз і синтез структури ЗВР і алгоритму її функціонування зазвичай проводиться на основі їх термодинамічної моделі.

При цьому основною мотивацією і критерієм оптимізації, як правило, є прагнення забезпечити, можливо, мінімальне споживання енергії при обмеженнях на капітальні витрати, габарити і т.д.

1.1.3 Функція «захисні функції і блокування»

Захисні функції і блокування загальні для систем автоматики і електрообладнання (захист від короткого замикання, перегріву, обмеження переміщення і т.п.) обумовлені міжвідомчими нормативними документами. Такі функції, як правило, реалізуються окремими апаратами (запобіжниками, пристроями захисного відключення, кінцевими вимикачами і т.д.). Їх застосування регламентується правилами улаштування електроустановок (ПУЕ), правилами пожежної безпеки (ППБ).

Захист від замерзання. Функція автоматичного захисту від замерзання повинна бути передбачена в районах з розрахунковою температурою зовнішнього повітря для холодного періоду мінус 5оС і ниж. Захисту підлягають теплообмінники першого підігріву (водяний калорифер) і рекуператори (якщо є).

Зазвичай захист від замерзання теплообмінників виконується на базі датчиків або датчиків-реле температури повітря за приладом та температури теплоносія в зворотному трубопроводі.

Небезпека заморожування прогнозують по температурі повітря перед апаратом (tн<5 °С). При достижении указанных значений полностью открывают клапаны и останавливают приточный вентилятор.

У неробочий час для систем з захистом від замерзання клапан повинен залишатися відкритим (5-25%) при закритій заслінці зовнішнього повітря. Для більшої надійності захисту при відключеній системі іноді реалізують функцію автоматичного регулювання (стабілізації) температури води в зворотному трубопроводі.

1.1.4 Функція «захист технологічної апаратури та електрообладнання»

1. Контроль забрудненості фільтра

Контроль забруднення фільтра оцінюється падінням тиску на ньому, яке вимірюється диференціальним датчиком тиску. Датчик вимірює різницю тисків повітря до і після фільтра. Допустиме падіння тиску на фільтрі вказується в його паспорті (для манометрів, представлених на заводських повітряних трасах, по техпаспорту - 150-300 Па). Ця різниця встановлюється при налагодженні системи на диференціальному датчику (уставка датчика). При досягненні уставки від датчика надходить сигнал про граничну запиленості фільтра і необхідності його обслуговування або заміни. Якщо протягом певного часу (зазвичай 24 години) після видачі сигналу граничної запиленості фільтр не буде очищений або замінений, рекомендується передбачити аварійну зупинку системи.

Аналогічні датчики рекомендується встановлювати на вентиляторах. Якщо вийде з ладу вентилятор або ремінь приводу вентилятора, то система повинна бути зупинена в аварійному режимі. Однак, найчастіше такими датчиками нехтують з міркувань економії, що значно ускладнює діагностику системи і відшукання несправностей в подальшому.

2. Інші автоматичні блокування

Крім того, автоматичні блокування повинні бути передбачені для:

Відкривання і закривання клапанів зовнішнього повітря при включенні і відключенні вентиляторів (заслінки);

Відкривання і закривання клапанів систем вентиляції, з'єднаних повітропроводами для повної або часткової взаємозамінності при виході з ладу однієї з систем;

Закривання клапанів систем вентиляції для приміщень, що захищаються установками газового пожежогасіння при відключенні вентиляторів систем вентиляції цих приміщень;

Забезпечення мінімальної витрати зовнішнього повітря в системах зі змінною витратою та ін.

1.1.5 Регулюючі функції

Регулюючі функції - автоматична підтримка заданих параметрів є основними по визначенню для систем припливно-витяжної вентиляції, що працює зі змінною витратою, рециркуляцією повітря, підігрівом повітря.

Ці функції виконуються за допомогою замкнутих контурів регулювання, в яких принцип зворотного зв'язку присутній в явному вигляді: інформація про об'єкт, що надходить від датчиків, перетворюється регулюючими пристроями в управлінський вплив. На рис. 1.3 наведено приклад контуру регулювання температури припливного повітря в канальному кондиціонері. Температура повітря підтримується водяним калорифером, через який пропускається теплоносій. Повітря, проходячи через калорифер, нагрівається. Температура повітря після водяного калорифера вимірюється датчиком (Т), далі її величина надходить на пристрій порівняння (УС) виміряного значення температури і температури уставки. Залежно від різниці між температурою уставки (tуст) і виміряним значенням температури (Тизм) пристрій управління (Р) виробляє сигнал, що впливає на виконавчий механізм (М - електропривод триходового клапана). Електропривод відкриває або закриває триходовий клапан до положення, при якому помилка:

е = tуст - Тизм

буде мінімальною.

Мал. 1.3 - Контур регулювання температури припливного повітря в повітроводі з водяним теплообмінником: Т - датчик; УС - пристрій порівняння; Р - регулюючий пристрій; М - виконавчий пристрій

Таким чином, побудова системи автоматичного регулювання (САР) на підставі вимог до точності і іншим параметрам її роботи (стійкості, колебательности і ін.) Зводиться до вибору її структури і елементів, а також до визначення параметрів регулятора. Зазвичай, це виконується фахівцями по автоматизації з використанням класичної теорії автоматичного регулювання. Зазначу тільки, що параметри налаштування регулятора визначаються динамічними властивостями об'єкта управління і обраним законом регулювання. Закон регулювання - взаємозв'язок між вхідним (?) І вихідним (Uр) сигналами регулятора.

Найпростішим є пропорційний закон регулювання, в якому? і Uр пов'язані між собою постійним коефіцієнтом Кп. Цей коефіцієнт і є параметр настройки такого регулятора, який називають П-регулятор. Його реалізація вимагає застосування регульованого підсилювального елемента (механічного, пневматичного, електричного і т. П.), Який може функціонувати як із залученням додаткового джерела енергії, так і без нього.

Однією з різновидів П-регуляторів є позиційні регулятори, які реалізують пропорційний закон регулювання при Кп і формують вихідний сигнал Uр, що має певне число постійних значень, наприклад, два або три, відповідні дво- або трьохпозиційним регуляторам. Такі регулятори іноді називають релейними через схожість їх графічних характеристик з характеристиками реле. Параметром настройки таких регуляторів служить величина зони нечутливості Де.

У техніці автоматизації систем вентиляції двохпозиційні регулятори на увазі простоти і надійності знайшли широке застосування при регулюванні температури (термостати), тиску (пресостати) і інших параметрів стану процесу.

Двопозиційні регулятори використовуються також в системах автоматичного захисту, блокувань і перемикання режимів роботи обладнання. В цьому випадку їх функції виконують датчики-реле.

Незважаючи на зазначені гідності П-регуляторів, вони володіють великою статичною помилкою (при малих значеннях Кп) і схильністю до автоколебаниям (при великих значеннях Кп). Тому при більш високих вимогах до регулюючих функцій систем автоматики по точності і стійкості застосовують і більш складні закони регулювання, наприклад, ПІ- і ПІД-закони.

Також регулювання температури підігріву повітря може бути виконано П-регулятором, що працює за принципом балансування: збільшувати температуру при її значенні, меншому ніж уставка, і навпаки. Така інтерпретація закону також знайшла застосування в системах, що не вимагають високих точностей.

1.2 Аналіз існуючих типових схем автоматики вентиляції виробничих цехів

Існує ряд стандартних реалізацій автоматики системи припливно-витяжної вентиляції, кожна і них має ряд переваг і недоліків. Зазначу, що незважаючи на наявність безлічі типових схем і розробок, досить складно створити таку САУ, яка б була гнучкою з налагодження щодо виробництва, на якому вона впроваджується. Таким чином, для проектування САУ ПВВ необхідний ретельний аналіз існуючої структури вентиляції, аналіз технологічних процесів виробничого циклу, а також аналіз вимог з охорони праці, екології, електро- і пожежної безпеки. Більш того, часто проектована САУ ПВВ є спеціалізованою щодо області свого застосування.

У будь-якому випадку, в якості типових вихідних даних на початковому етапі проектування зазвичай прийнято розглядати наступні групи:

1. Загальні дані: територіальне розташування об'єкта (місто, район); тип і призначення об'єкта.

2. Відомості про будівлю та приміщеннях: плани і розрізи з вказівкою всіх розмірів і відміток висот щодо рівня землі; вказівка ​​категорій приміщень (на архітектурних планах) відповідно до протипожежних норм; наявність технічних площ із зазначенням їх розмірів; розташування і характеристики існуючих систем вентиляції; характеристики енергоносіїв;

3. Відомості про технологічний процес: креслення технологічного проекту (плани) із зазначенням розміщення технологічного обладнання; специфікація обладнання із зазначенням встановлених потужностей; характеристики технологічного режиму - число робочих змін, середня кількість робочих в змін; режим роботи обладнання (одночасність роботи, коефіцієнти завантаження і ін.); кількість шкідливих викидів в повітряне середовище (ГДК шкідливих речовин).

В якості вихідних даних для розрахунку автоматики системи ПВВ виносять:

Продуктивність існуючої системи (потужність, повітрообмін);

Перелік параметрів повітря, що підлягають регулюванню;

Межі регулювання;

Робота автоматики при надходженні сигналів від інших систем.

Таким чином, виконання системи автоматики проектується виходячи з покладених на неї завдань з урахуванням норм і правил, а також загальних вихідних даних і схем. Складання схеми і підбір апаратури системи автоматики вентиляції виконується індивідуально.

Наведемо існуючі типові схеми систем управління припливно витяжною вентиляцією, охарактеризуємо деякі з них щодо можливості застосування для вирішення завдань дипломного проекту (рис. 1.4 - 1.5, 1.9).

Мал. 1.4 -САУ прямоточною вентиляції

Дані системи автоматики знайшли активне застосування на фабриках, заводах, в офісних приміщеннях. Об'єкт управління тут - це шафа автоматики (пульт управління), фіксуючі пристрої - датчики каналів, керуючий вплив виявляється на двигуни моторів вентиляторів, двигуни заслінок. Також присутній САР підігріву / охолодження повітря. Забігаючи вперед, можна відзначити, що система, наведена на рис.1.4 - прототип системи, яку необхідно використовувати на ділянці лиття під тиском ВАТ «Вологодський оптико-механічний завод». Охолодження повітря в виробничих приміщеннях є малоефективним внаслідок обсягів цих приміщень, а підігрів є обов'язковою умовою правильного функціонування САУ ПВВ.

Мал. 1.5- САУ вентиляцією з теплоутилізаторів

Побудова САУ ПВВ з використанням теплоутилізаторів (рекуператорів) дозволяє вирішувати проблеми перевитрати електроенергії (для електрокалориферів), проблеми викидів в навколишнє середовище. Сенс рекуперації в тому, що видаляється безповоротно повітря з приміщення, що володіє температурою заданої в приміщенні, обмінюється енергією з вступникам зовнішнім повітрям, параметри, якого, як правило значно відрізняються від заданих. Тобто взимку видаляється теплий витяжної повітря частково нагріває зовнішній припливне повітря, а влітку холодніший витяжної повітря частково охолоджує припливне повітря. У кращому випадку, на рекуперації можна зменшити енерговитрати на обробку припливного повітря на 80%.

Технічно рекуперація в припливно-витяжної вентиляції здійснюється застосуванням обертових теплоутилізаторів та систем з проміжним теплоносієм. Таким чином, отримуємо виграш як на нагріванні повітря, так і на скороченні відкриттів заслінок (допускається більший час простою двигунів, керуючих заслінками) - все це дає загальний виграш в плані економії енергоспоживання.

Системи з рекуперацією тепла є перспективними і активно і впроваджуються замість старих вентиляційних систем. Однак, варто зазначити, що подібні системи коштують додаткових капіталовкладень, проте і термін їх окупності, порівняно малий, в той час як рентабельність дуже висока. Також відсутність постійного викиду в навколишнє середовище підвищує екологічні показники подібної організації автоматики ПВВ. Спрощено робота системи з рекуперацією тепла з повітря (рециркуляцією повітря) представлена ​​на рис.1.6.

Мал. 1.6 - Робота системи повітрообміну з рециркуляцією (рекуперацією)

Перекрестноточние або пластинчасті рекуператори (рис. 1.5 в, г) складаються з пластин (алюмінієвих), що представляють систему каналів для протікання двох потоків повітря. Стінки каналів є загальними для припливного і витяжного повітря і легко передають. Завдяки великій площі поверхні обміну і турбулентному течією повітря в каналах домагаються високого ступеня теплоутілізаціі (теплопередачі) при відносно низькому гідравлічному опорі. Ефективність пластинчатих рекуператорів доходить до 70%.

Мал. 1.7 - Організація повітрообміну САУ ПВВ на основі пластинчастих рекуператорів

Утилізується лише явне тепло витяжного повітря тому припливний і витяжний повітря жодним чином не змішуються, а конденсат утворює при охолодженні витяжного повітря затримується сепаратором і відводитися дренажною системою з зливного піддона. Для запобігання замерзання конденсату при низьких температурах (до-15оС), формуються відповідні вимоги до автоматики: вона повинна забезпечувати періодичну зупинку припливного вентилятора або відведення частини зовнішнього повітря в обвідний канал в обхід каналів рекуператора. Єдине обмеження в застосуванні даного методу полягає в обов'язковому перетині припливної та витяжної гілки в одному місці, що в разі простої модернізації САУ накладає ряд труднощів.

Системи рекуперації з проміжним теплоносієм (рис. 1.5 а, б) представляють собою пару теплообмінників з'єднаних замкнутим трубопроводом. Один теплообмінник знаходиться у витяжному каналі, а інший в припливному. По замкнутому контуру циркулює незамерзаюча гліколева суміш, переносячи тепло від одного теплообмінника до іншого, причому в цьому випадку відстань від припливної установки до витяжної може досить значним.

Ефективність теплоутілізаціі при такому методі не перевищує 60%. Вартість сравнительна велика, проте в деяких випадках це може бути єдиним варіантом теплоутілізаціі.

Мал. 1.8 - Принцип теплоутілізаціі із застосуванням проміжного теплоносія

Роторний теплоутилизатор (обертається теплообмінник, рекуператор) - являє собою ротор з каналами для горизонтального проходу повітря. Частина ротора знаходиться у витяжному каналі, а частина - в припливному. Обертаючись, ротор отримує тепло витяжного повітря і передає його припливному, причому передається як явне, так і приховане тепло, а також вологість. Ефективність теплоутілізаціі максимальна і досягає 80%.

Мал. 1.9 - САУ ПВВ з роторним рекуператором

Обмеження на застосування даного методу накладає перш за все те, що до 10% витяжного повітря змішується з припливним, а в ряді випадків це неприпустимо або небажано (якщо повітря має значний рівень забруднення). Вимоги до конструкції аналогічні попередньому варіанту - витяжна і припливна машина знаходиться в одному місці. Цей спосіб дорожче першого і рідше застосовується.

В цілому системи з рекуперацією стоять на 40-60% дорожче аналогічних систем без рекуперації, проте витрати на експлуатацію при цьому будуть відрізнятися в рази. Навіть при сьогоднішніх цінах на енергоносії час окупності системи рекуперації не перевищує двох опалювальних сезонів.

Хотілося б відзначити, що на енергозбереження впливають в тому числі і алгоритми управління. Однак, завжди слід враховувати, що всі системи вентиляції розраховуються на деякі усереднені умови. Наприклад, витрата зовнішнього повітря визначали на одне кількість людей, а реально в приміщенні може знаходитися менше 20% від прийнятого значення, звичайно в такому випадку розрахункова витрата зовнішнього повітря буде явно надмірною, робота вентиляції в надмірному режимі призведе до необґрунтованої втрати енергоресурсів. Логічно в такому випадку розглянути кілька режимів експлуатації-наприклад, зимовий / літній. Якщо автоматика здатна встановити подібні режими - економія очевидна. Ще одні підхід пов'язаний з регулюванням витрати зовнішнього повітря в залежності від якості газового середовища всередині приміщення, тобто система автоматики включає в себе газоаналізатори на шкідливі гази і підбирає значення витрати зовнішнього повітря таким чином, щоб вміст шкідливих газів не перевищувала гранично-допустимих значень.

1.3 Маркетингове дослідження

В даний час на ринку автоматики для припливно-витяжної вентиляції широко представлені всі провідні світові виробники вентиляційного обладнання, причому кожен з них спеціалізується на виробництві обладнання в певному сегменті. Весь ринок вентиляційного обладнання можна умовно розділити по наступних галузей застосування:

Побутового і напівпромислового призначення;

Промислового призначення;

Вентиляційне обладнання "спеціального" призначення.

Так як в дипломному проекті розглядається проектування автоматики для приточно-витяжних систем виробничих приміщень, то для порівняння пропонованої розробки з наявними на ринку необхідно вибрати подібні існуючі пакети автоматики відомих виробників.

Результати маркетингового дослідження існуючих пакетів САУ ПВВ представлені в додатку А.

Таким чином, в результаті маркетингового дослідження були розглянуті кілька найбільш часто вживаних САУ ПВВ різних виробників, шляхом вивчення їх технічної документації були отримані відомості:

Склад відповідного пакета САУ ПВВ;

Реєстр параметрів контролю (тиск в повітроводах, температура, чистота, вологість повітря);

Марка програмованого логічного контролера і його комплектація (програмне забезпечення, система команд, принципи програмування);

Наявність зв'язків з іншими системами (чи передбачена зв'язок з пожежною автоматикою, чи є підтримка протоколів локальних мереж);

Захисне виконання (електробезпека, пожежна безпека, пилезахищеність, перешкодозахищеність, влагозащищенность).

2. Опис вентиляційної мережі виробничого цеху як об'єкта автоматичного управління

В цілому, за результатами аналізу наявних підходів до автоматизації систем вентилювання та підготовки повітря, а також в результаті аналітичних оглядів типових схем можна зробити висновок про те, що завдання, що розглядаються в дипломному проекті, є актуальними і в даний час, активно що розглядаються та вивчаються спеціалізованими конструкторськими бюро (СКБ).

Зазначу, що існують три основні підходи до реалізації автоматики для системи вентиляції:

Розподілений підхід: реалізація автоматики ПВВ на основі місцевого комутаційного обладнання, управління кожним вентилятором ведеться відповідним пристроєм.

Даний підхід застосовують для проектування автоматики порівняно невеликих вентиляційних систем, в яких не передбачається подальшого розширення. Він є найбільш старим. До переваг підходу можна віднести, наприклад, те, що в разі аварії на одній з контрольованих вентиляційних гілок система виробляє аварійну зупинку тільки даного ланки / секції. Крім того, даний підхід є порівняно простим в реалізації, не вимагає складних алгоритмів управління, спрощує технічне обслуговування пристроїв вентиляційної системи.

Централізований підхід: реалізація автоматики ПВВ на основі групи логічних контролерів або програмованого логічного контролера (ПЛК), управління всією системою вентиляції ведеться централізовано відповідно до закладених програмою і даними.

Централізований підхід є більш надійним, ніж розподілений. Все управління ЗВР є жорстким, здійснюється на основі програми. Дана обставина накладає додаткові вимоги як до написання коду програми (необхідно враховувати безліч умов, в т.ч. дії в аварійних ситуаціях), так і до особливого захисту керуючого ПЛК. Даний підхід знайшов застосування для невеликих адміністративно-виробничих комплексів. Його відрізняє гнучкість налаштувань, можливість масштабування системи до розумних меж, а також можливість мобільного об'єднання системи за змішаним принципом організації;

Змішаний підхід: використовується при проектуванні великих систем (велика кількість керованої техніки, яка має величезну продуктивність), вдає із себе комбінацію розподіленого і централізованого підходу. У загальному випадку даний підхід передбачає рівневу ієрархію на чолі з керуючою ЕОМ і веденими «мікроЕОМ», такім.образом утворюючи глобальну по відношенню до підприємства керуючу виробничу мережу. Іншими словами, даний підхід - розподілено-централізований підхід з диспетчеризацією системи.

В аспекті завдання, що вирішується в дипломному проектуванні, найкращим є централізований підхід до реалізації автоматики ПВВ. Так як система розробляється для невеликих виробничих приміщень, можливе використання даного підходу для інших об'єктів з метою їх подальшого об'єднання в єдину САУ ПВВ.

Найчастіше для шаф управління вентиляцією передбачається інтерфейс, що дозволяє здійснювати моніторинг стану вентиляційної системи з виведенням інформації на монітор ЕОМ. Однак, варто зазначити, що дана реалізація вимагає додаткових ускладнень програми управління, підготовки фахівця, що стежить за станом і приймає оперативні рішення на основі візуально одержуваних даних від опитування датчиків. Крім того, завжди притаманний фактор людської помилки в екстрених ситуаціях. Тому реалізація цієї умови є швидше додатковою опцією до проектування пакета автоматики ПВВ.

2.1 Опис існуючої системи автоматичного управління припливно-витяжною вентиляцією виробничих цехів

Для забезпечення основного принципу вентиляції виробничих цехів, що полягає в підтримці в допустимих межах параметрів і складу повітря, необхідно подавати чисте повітря до місць знаходження робочих з подальшим розподілом повітря по всьому приміщенню.

Нижче на рис. 2.1 приведена ілюстрація типової системи припливно-витяжної вентиляції, подібна якої є на ділянці впровадження.

Вентиляційна система виробничого приміщення складається з вентиляторів, повітроводів, приймальних пристроїв зовнішнього повітря, пристроїв для очищення вступника і викидається в атмосферу повітря, пристрої нагрівання повітря (водяний калорифер).

Проектування існуючої припливно-витяжної вентиляційної систем велося відповідно до вимог СНиП II 33-75 «Опалення, вентиляція і кондиціонування повітря», а також ГОСТ 12.4.021-75 "ССБТ. Системи вентиляційні. Загальні вимоги », в якому вказані вимоги при монтажі та пусконалагоджувальних роботах і експлуатації.

Очищення забрудненого повітря, що викидається в атмосферу, здійснюється спеціальними пристроями - пиловідокремлювачі (застосовується на виробничій ділянці лиття під тиском), фільтрами повітропроводів і ін. При цьому необхідно врахувати, що пиловідокремлювачі не вимагають додаткового управління і спрацьовують при включенні витяжної вентиляції.

Також очищення витягнутого з робочої зони повітря може виконуватися в пилеосадочних камерах (тільки для крупного пилу) і електрофільтрах (для дрібного пилу). Очищення повітря від шкідливих газів здійснюється з використанням спеціальних абсорбуючих і дезактивирующих речовин, в тому числі і нанесених на фільтри (в осередках фільтрах).

Мал. 2.1 - Система припливно-витяжної вентиляції виробничого цеху 1 -воздухозаборное пристрій; 2 -калоріфери для підігріву; 3 припливний вентилятор; 4 - магістральний повітропровід; 5 - відгалуження воздуховода; 6 - припливні насадки; 7 - місцеві відсмоктувачі; 8 і 9 - магістр. повітропровід витяжної установки; 10 - пиловідокремлювачі; 11 - витяжний вентилятор; 12 - шахта викиду очищеного повітря в атмосферу

Автоматика існуючої системи є порівняно простий. Технологічний процес провітрювання виглядає наступним чином:

1. початок робочої зміни - проводиться пуск системи припливно-витяжної вентиляції. Вентилятори наводяться в дію централізованим пристроєм запуску. Іншими словами, пульт управління являє собою два пускача - для старту і аварійної зупинки / вимикання. Зміна триває 8 годин - з годинною перервою, тобто система в середньому простоює 1 годину в робочий час. Крім того, подібна «Сблокированиє» управління є економічно неефективною, оскільки призводить до пере-витраті електроенергії.

Слід зазначити, що немає виробничої необхідності, щоб витяжна вентиляція працювала постійно, доцільно включати її тоді, коли повітря забруднене, або, наприклад, потрібне відведення зайвої теплової енергії від робочої зони.

2. відкриття заслінок повітрозабірних пристроїв також управляється місцевої пускательной апаратурою, повітря з параметрами зовнішнього середовища (температура, чистота) за рахунок різниці в тиску затягується в повітроводи припливним вентилятором.

3. взятий із зовнішнього середовища повітря проходить через водяний калорифер, нагрівається до допустимих температурних значень, і по воздуховодам через припливні насадки нагнітається в приміщення. Водяний калорифер забезпечує значне нагрівання повітря, управління калорифером - ручне, фахівець з електромонтажу відкриває заслінку клапана. На літній період калорифер відключається. В якості теплоносія використовується гаряча вода, що подається від внутризаводской котельні. Не передбачена система автоматичного регулювання температури повітря, внаслідок чого відбувається великий перевитрата ресурсу.

подібні документи

Особливості використання системи управління установкою припливної вентиляції на базі контролера МС8.2. Основні функціональні можливості контролера. Приклад специфікації для автоматизації установки припливної вентиляції для схеми на базі МС8.2.

практична робота, доданий 25.05.2010


Порівняльний аналіз технічних характеристик типових конструкцій градирень. Елементи систем водопостачання та їх класифікація. Математична модель процесу оборотного водопостачання, вибір і опис засобів автоматизації та елементів управління.

дипломна робота, доданий 04.09.2013


Основи функціонування системи автоматичного керування припливно-витяжної вентиляції, її побудова і математичний опис. Апаратура технологічного процесу. Вибір і розрахунок регулятора. Дослідження стійкості САР, показники її якості.

курсова робота, доданий 16.02.2011


Опис процесу обробки їх виробів на базі цементобетона. Автоматизований контроль процесу вентиляції пропарювальної камери. Вибір типу дифманометра і розрахунок пристрою звуження. Вимірювальна схема автоматичного потенціометра.

курсова робота, доданий 25.10.2009


Карта технологічного маршруту обробки черв'ячного колеса. Розрахунок припусків та граничних розмірів на обробку вироби. Розробка керуючої програми. Обгрунтування і вибір затискного пристосування. Розрахунок вентиляції виробничих приміщень.

дипломна робота, доданий 29.08.2012


Характеристика проектованого комплексу і вибір технології виробничих процесів. Механізація водопостачання та напування тварин. Технологічний розрахунок і вибір обладнання. Системи вентиляції і повітряного опалення. Розрахунок повітрообміну і освітлення.

курсова робота, доданий 01.12.2008


Припливна система вентиляції, її внутрішній устрій і взаємозв'язок елементів, оцінка переваг та недоліків використання, вимоги до обладнання. Заходи з енергозбереження, автоматизація управління енергоефективних вентиляційних систем.

курсова робота, доданий 08.04.2015


Розробка технологічної схеми автоматизації електрообогреваемого статі. Розрахунок і вибір елементів автоматики. Аналіз вимог в схемі управління. Визначення основних показників надійності. Техніка безпеки при монтажі засобів автоматизації.

курсова робота, доданий 30.05.2015


Апаратура технологічного процесу каталітичного риформінгу. Особливості ринку засобів автоматизації. Вибір керуючого обчислювального комплексу і засобів польової автоматики. Розрахунок і вибір параметрів регуляторів. Технічні засоби автоматизації.

дипломна робота, доданий 23.05.2015


Технологічний опис структурної схеми проекту по автоматизації процесу переробки граничних вуглеводневих газів. Вивчення функціональної схеми автоматизації та обґрунтування вибору засобів КВП установки. Математична модель контуру регулювання.

Глєбов Р. С., аспірант Туманов М.П., ​​кандидат технічних наук, доцент

Антюшін С. С., аспірант (Московський державний інститут електроніки і математики (Технічний університет)

ПРАКТИЧНІ АСПЕКТИ ІДЕНТИФІКАЦІЇ МОДЕЛІ

вентиляційні установки

У зв'язку з появою нових вимог до систем вентиляцією, експериментальні методи настройки замкнутих контурів управління не можуть в повній мірі вирішити завдання автоматизації технологічного процесу. Експериментальні методи настройки мають закладені критерії оптимізації (критерії якості управління), що обмежує область їх застосування. Параметричний синтез системи управління, що враховує всі вимоги технічного завдання, вимагає математичної моделі об'єкта. У статті приводиться аналіз структур математичних моделей вентиляційної установки, розглядається метод ідентифікації вентиляційної установки, оцінюється можливість застосування отриманих моделей для застосування на практиці.

Ключові слова: ідентифікація, математична модель, вентиляційна установка, експериментальне дослідження математичної моделі, критерії якості математичної моделі.

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.

Вступ

Управління системами вентиляції є одним з основних завдань автоматизації інженерних систем будівлі. Вимоги до систем управління вентиляційними установками формулюються у вигляді критеріїв якості в тимчасовій області.

Основні критерії якості:

1. Час перехідного процесу (tnn) - час виходу вентиляційної установки на робочий режим.

2. Встановлена ​​помилка (еуст) - максимально допустиме відхилення температури повітря, що подається від заданого.

Непрямі критерії якості:

3. Перерегулювання (Ah) -перерасход потужності при управлінні вентиляційної установкою.

4. Ступінь колебательности (у) - надлишковий знос вентиляційного обладнання.

5. Ступінь загасання (у) - характеризує якість і швидкість встановлення необхідного температурного режиму.

Головним завданням автоматизації системи вентиляції є параметричний синтез регулятора. Параметричний синтез полягає у визначенні коефіцієнтів регулятора для забезпечення критеріїв якості пропонованих до системи вентиляції.

Для синтезу регулятора вентиляційної установки вибирають інженерні методи, зручні для застосування на практики, які не вимагають дослідження математичної моделі об'єкта: метод №сЬо18-21§1ег (Ж), метод СИеп-Нгопе8-Ке8, ШСК (РНК). До сучасних систем автоматизації вентиляції пред'являються високі вимоги показників якості, звужуються допустимі граничні умови показників, з'являються багатокритеріальні задачі управління. Інженерні методи настройки регуляторів не дозволяють змінити закладені в них критерії якості управління. Наприклад, при використанні методу N2 для настройки регулятора, критерієм якості є декремент загасання рівний чотирьом, а при використанні методу сня, критерієм якості є максимальна швидкість наростання при відсутності перерегулювання. Використання даних методів у вирішенні багатокритеріальних задач управління вимагає додаткову ручну коригування коефіцієнтів. Час і якість настройки контурів управління, в даному випадку, залежить від досвіду інженера наладчика.

Застосування сучасних засобів математичного моделювання для синтезу системи управління вентиляційної установкою істотно підвищує якість процесів управління, дозволяє скоротити час налагодження системи, а також дозволяє синтезувати алгоритмічні засоби виявлення і запобігання аварій. Для моделювання системи управління необхідно створити адекватну математичну модель вентиляційної установки (об'єкта управління).

Практичне використання математичних моделей без оцінки його викликає ряд проблем:

1. Налаштування регулятора, отримані при математичному моделюванні, не гарантують відповідність показників якості на практиці.

2. Застосування на практиці регуляторів із закладеною математичною моделлю (форсує управління, екстраполятор Сміта і т. Д.) Може викликати погіршення показників якості. У разі невідповідності постійної часу або заниженому коефіцієнті посилення зростає час виходу вентиляційної установки на робочий режим, при підвищеному коефіцієнті посилення відбувається надмірна зношеність вентиляційного обладнання, і т. Д.

3. Застосування на практиці адаптивних регуляторів з оцінкою по еталонної моделі також викликати погіршення показників якості аналогічно до наведеного вище прикладу.

4. Налаштування регулятора, отримані методами оптимального управління, не гарантують відповідність показників якості на практиці.

Метою даного дослідження є визначення структури математичної моделі вентиляційної установки (по контуру управління температурним режимом) і оцінка її адекватності реальним фізичним процесам нагріву повітря в системах вентиляції.

Досвід проектування систем управління показує, що не можна отримати математичну модель, адекватну реальній системі, тільки на основі теоретичних досліджень фізичних процесів системи. Тому в процесі синтезу моделі вентиляційної установки одночасно з теоретичними дослідженнями проводилися експерименти по визначенню і уточненню математичної моделі системи - її ідентифікація.

Технологічний процес системи вентиляції, організація експерименту

і структурна ідентифікація

Об'єктом управління системи вентиляції виступає центральний кондиціонер, в якому відбувається обробка повітряного потоку і його подача в вентильовані приміщення. Завданням локальної системи управління вентиляції є автоматична підтримка температури припливного повітря в каналі. Поточне значення температури повітря оцінюється по датчику, встановленому в припливно каналі або в приміщенні, що обслуговується. Регулювання температури припливного повітря здійснюється електричним або водяним калорифером. При використанні водяного калорифера виконавчим органом є триходовий клапан, при використанні електричного калорифера - широтно-імпульсний або тиристорний регулятор потужності.

Стандартний алгоритм управління температурою припливного повітря являє замкнуту систему автоматичного регулювання (САР), з ПІД-регулятором як пристрій керування. Структура автоматизованої системи управління температурою припливного повітря вентиляцією приведена (рис. 1).

Мал. 1. Структурна схема автоматизованої системи управління вентиляційної установкою (канал управління температурою припливного повітря). Wрег - ПФ регулятора, ЖЗО - ПФ виконавчого органу, Wкал - ПФ калорифера, Wвв - передавальна функція воздуховода. и1 - уставка температури, XI - температура в каналі, XI - свідчення датчика, Е1 - помилка регулювання, У1-управлінський вплив регулятора, У2 - відпрацювання виконавчим пристроєм сигналу регулятора, У3 - тепло передане калорифером в канал.

Синтез математичної моделі системи вентиляції передбачає, що відома структура кожної передавальної функції, що входить до її складу. Застосування математичної моделі, що містить передавальні функції окремих елементів системи, є складним завданням і не гарантує на практиці суперпозицію окремих елементів з вихідною системою. Для ідентифікації математичної моделі структуру системи управління вентиляцією зручно розділити на дві частини: апріорно відому (регулятор) і невідому (об'єкт). Передавальна функція об'єкта ^ об) включає в себе: передавальну функцію виконавчого органу ^ ио), передавальну функцію калорифера ^ кал), передавальну функцію воздуховода ^ ст), передавальну функцію датчика ^ дат). Завдання ідентифікації вентиляційної установки при управлінні температурою повітряного потоку зводитися до визначення функціональної залежності між керуючим сигналом на виконавчий елемент калорифера У1 і температурою повітряного потоку XI.

Для визначення структури математичної моделі вентиляційної установки необхідно провести експеримент по ідентифікації. Отримання шуканих характеристик можливо шляхом пасивного і активного експерименту. Метод пасивного експерименту заснований на реєстрації контрольованих параметрів процесу в режимі нормальної роботи об'єкта без внесення до нього будь-яких навмисних збурень. На етапі налагодження система вентиляції не знаходиться в режимі нормальної роботи, тому метод пасивного експерименту не підходить для наших цілей. Метод активного експерименту заснований на використанні певних штучних збурювань, що вводяться в об'єкт по заздалегідь спланованою програмою.

Існують три принципових методу активної ідентифікації об'єкта: метод перехідних характеристик (реакція об'єкта на «сходинку»), метод обурення об'єкта сигналами періодичної форми (реакція об'єкта на гармонійні обурення з різною частотою) і метод реакції об'єкта на дельта-імпульс. У зв'язку з великою інерційністю систем вентиляції (Тоб становить від десятків секунд до декількох хвилин) ідентифікація сигналами пери

Для подальшого прочитання статті необхідно придбати повний текст. Статті надсилаються в форматі PDFна зазначену при оплаті пошту. Час доставки становить менше 10 хвилин. Вартість однієї статті - 150 рублів.

Пoхожіе наукові роботи по темі «Загальні і комплексні проблеми природних і точних наук»

• АДАПТИВНЕ УПРАВЛІННЯ вентиляційної установки З ДИНАМІЧНИМ витрати припливного ПОВІТРЯ

  ГЛЄБОВ Р.С., ТУМАНОВ М.П. - 2012 р

• Проблема управління та моделювання надзвичайних ситуацій на нафтових шахтах

  Лискова М.Ю., НАУМОВ І.С. - 2013 р

• ПРО ЗАСТОСУВАННЯ ТЕОРІЇ ПАРАМЕТРИЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ДЛЯ обчислюваності МОДЕЛЕЙ ЗАГАЛЬНОГО РІВНОВАГИ

  Аділь ЖЕКСЕНБЕК МАКЕЕВІЧ, Ашимо АБДИКАППАР АШІМОВІЧ, Ашимо Аскар АБДИКАППАРОВІЧ, БОРІВСЬКИЙ МИКОЛА ЮРІЙОВИЧ, БОРІВСЬКИЙ ЮРІЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ, султанів Бахит ТУРЛИХАНОВІЧ - 2010 р

• MODELLING OF A BIOCLIMATIC ROOF USING NATURAL VENTILATION

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

Опишемо в даному розділі основні елементи, що входять в систему управління, дамо їм технічну характеристику і математичний опис. Більш докладно зупинимося на розроблюваної системі автоматичного регулювання температури припливного повітря, що проходить через калорифер. Так як основним продуктом підготовки є температура повітря, то в рамках дипломного проекту можна знехтувати побудовою математичних моделей і моделюванням процесів циркуляції і витрати повітря. Також даним математичним обгрунтуванням функціонування САУ ПВВ можна знехтувати внаслідок особливостей архітектури приміщень - значний приплив зовнішнього непідготовленого повітря в цехи і склади через щілини, зазори. Саме тому при будь-якому витраті повітря практично неможливо стан «кисневого голодування» у працівників даного цеху.

Таким чином, побудовою термодинамічної моделі розподілу повітря в приміщенні, а також математичним описом САУ по витраті повітря нехтуємо на увазі їх недоцільність. Зупинимося детальніше на розробці САР температури припливного повітря. Насправді, дана система є системою автоматичного регулювання положення заслінки ЗРК залежно від температури припливного повітря. Регулювання - пропорційний закон методом балансування значень.

Наведемо основні елементи, що входять до САУ, наведемо їх технічні характеристики, що дозволяють виявити особливості управління ними. Керуємося при виборі обладнання та засобів автоматизації їх технічними паспортами та попередніми інженерними розрахунками старої системи, а також результатами проведених експериментів і випробувань.

Припливне і витяжні відцентрові вентилятори

Звичайний відцентровий вентилятор являє собою розташоване в спіральному кожусі колесо з робочими лопатями, при обертанні якого повітря, що надходить через вхідний отвір, потрапляє в канали між лопатками і під дією відцентрової сили переміщається по цих каналах, збирається спіральним кожухом і направляється в його вихідний отвір. Кожух також служить для перетворення динамічного напору в статичний. Для посилення напору за кожухом ставлять дифузор. На рис. 4.1 представлений загальний вид відцентрового вентилятора.

Звичайне відцентрове колесо складається з лопатей, заднього диска, маточини і переднього диска. Литу або витонченою маточину, призначену для насаджування колеса на вал, приклепують, приворачивают або приварюють до заднього диску. До диску приклепують лопаті. Передні кромки лопатей зазвичай кріплять до переднього кільцю.

Спіральні кожуха виконують з листової сталі і встановлюють на самостійних опорах, у вентиляторів малої потужності їх кріплять до станини.

При обертанні колеса повітря передається частина підводиться до двигуна енергії. Що розвивається колесом тиск залежить від щільності повітря, геометричної форми лопатей і окружної швидкості на кінцях лопатей.

Вихідні кромки лопатей відцентрових вентиляторів можуть бути загнутими вперед, радіальними і загнутими назад. До недавнього часу робили в основному кромки лопатей загнутими вперед, так як це дозволяло зменшити габаритні розміри вентиляторів. В даний час часто зустрічаються робочі колеса з лопатями, загнутими назад, тому що це дозволяє підняти ККД вентилятора.

Мал. 4.1

При огляді вентиляторів слід мати на увазі, що вихідні (по ходу повітря) кромки лопатей для забезпечення ненаголошеного входу завжди повинні бути відігнуті в напрямку, протилежному напрямку обертання колеса.

Одні і ті ж вентилятори при зміні частоти обертання можуть мати різну подачу і розвивати різні тиску, які залежать не тільки від властивостей вентилятора і частоти обертання, але і від приєднаних до них повітропроводів.

Характеристики вентиляторів висловлюють зв'язок між основними параметрами його роботи. Повна характеристика вентилятора при постійній частоті обертання валу (n = const) виражається залежностями між подачею Q і тиском Р, потужністю N і к. П. Д. Залежності P (Q), N (Q) і T (Q) зазвичай будують на одному графіку. За ним підбирають вентилятор. Характеристику будують на основі випробувань. На рис. 4.2 представлена ​​аеродинамічна характеристика відцентрового вентилятора ВЦ-4-76-16, який застосовується в якості припливного на об'єкті впровадження

Мал. 4.2

Продуктивність вентилятора становить 70000 м3 / год або 19,4 м3 / с. Частота обертання валу вентилятора - 720 об / хв. або 75,36 рад / сек., потужність приводного асинхронного двигуна вентилятора становить 35 кВт.

Вентилятор нагнітає зовнішній атмосферне повітря в калорифер. В результаті теплообміну повітря з гарячою водою, що пропускається через трубки теплообмінника, відбувається нагрів повітря, що проходить.

Розглянемо схему регулювання режиму роботи вентилятора ВЦ-4-76 №16. На рис. 4.3 приведена функціональна схема вентиляторного агрегату при регулюванні частотою обертання.

Мал. 4.3

Передавальну функцію вентилятора можна представити у вигляді коефіцієнта посилення, який визначається виходячи з аеродинамічній характеристики вентилятора (рис. 4.2). Коефіцієнт посилення вентилятора в робочій точці дорівнює 1,819 м3 / с (мінімально можливий, встановлено експериментально).

Мал. 4.4

експериментальновстановлено, що для реалізації необхідних режимів роботи вентилятора необхідна подача на керуючий перетворювач частот наступних значень напруги (табл. 4.1):

Таблиця 4.1 Режими роботи припливної вентиляції

При цьому для підвищення надійності електродвигуна вентиляторів як припливної, так і витяжної секції, немає необхідності ставити їм режими роботи з максимальною продуктивністю. Завдання експериментальних дослідження полягала в знаходженні таких керуючих напруг, при яких дотримувалися б розраховані далі норми кратності повітрообміну.

Витяжна вентиляція представлена ​​трьома відцентровими вентиляторами марок ВЦ-4-76-12 (продуктивність 28000 м3 / год при n = 350 об / хв, потужність асинхронного приводу N = 19,5 кВт) і ВЦ-4-76-10 (продуктивність 20000 м3 / ч при n = 270 об / хв, потужність асинхронного приводу N = 12,5 кВт). Аналогічно припливної для витяжної гілки вентиляції були експериментально отримані величини керуючих напруг (табл. 4.2).

Для запобігання стан «кисневого голодування» у робочих цехів, розрахуємо норми повітрообміну при обраних режимах роботи вентиляторів. Він повинен задовольняти умові:

Таблиця 4.2 Режими роботи витяжної вентиляції

У розрахунку пренебрежем припливним повітрям, що поступає ззовні, а також архітектурою будівлі (стіни, перекриття).

Розміри приміщень під вентилювання: 150х40х10 м, загальний обсяг приміщення дорівнює Vпомещ? 60000 м3. Необхідний обсяг припливного повітря дорівнює 66000 м3 / год (для коефіцієнта 1,1 - обраний мінімальним, тому що не врахований приплив повітря ззовні). Очевидно, що обрані режими роботи приточного вентилятора задовольняють поставленому умові.

Сумарний обсяг витягнутого повітря розрахуємо за такою формулою

Для розрахунку витяжної гілки обрані режими «екстреної витяжки». З урахуванням поправочного коефіцієнта 1,1 (так як аварійний режим роботи прийнятий як найменш можливий) обсяг витягнутого повітря буде дорівнює 67,76 м3 / год. Дане значення в рамках допустимих похибок і прийнятих раніше застережень задовольняє умові (4.2), значить, обрані режими роботи вентиляторів будуть справлятися із завданням забезпечення кратності повітрообміну.

Також в електродвигунах вентиляторів присутній вбудований захист від перегріву (термостат). При зростанні температури на двигуні релейний контакт термостата зупинить роботу електродвигуна. Датчик перепаду тиску зафіксує зупинку електродвигуна і видасть сигнал на пульт управління. Необхідно передбачити реакцію САУ ПВВ на аварійну зупинку двигунів вентиляторів.