Разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией

Чертеж123.dwg

Система автоматического управления
приточно - вытяжной винтеляции (САУ ПВВ)
Принципиальная функциональная схема
Обслуживаемое помещение
Температура наружного воздуха
Контроль открытия воздушного клапана
Управление воздушным клапаном
Контроль засорения фильтра
Регулирование положения ЗРК
Управление электроприводом ЗРК
управление двигателем
Защита теплообменника по воздуху
контроль работы двигателя
Температура приточного воздуха

Чертеж123.cdw

Система автоматического управления
приточно - вытяжной винтеляции (САУ ПВВ)
Принципиальная функциональная схема
Обслуживаемое помещение
Температура наружного воздуха
Контроль открытия воздушного клапана
Управление воздушным клапаном
Контроль засорения фильтра
Регулирование положения ЗРК
Управление электроприводом ЗРК
управление двигателем
Защита теплообменника по воздуху
контроль работы двигателя
Температура приточного воздуха

Расчетно-пояснительная записка.doc

Аналитический обзор
1 Основные функции управления ПВВ
2. Варианты существующих типовых схем автоматики вентиляции
Описание технологического процесса подлежащего автоматизации
1. Описание существующей САУ ПВВ производственных цехов
Техническое предложение .
Математическая модель процесса вентиляции производственных помещений выбор и описание средств автоматизации и элементов управления
1. Приточный и вытяжные центробежные вентиляторы
2. Преобразователь частот (ПЧ)
3. Калориферная установка
4. Общая модель САУ приточной вентиляции по процессу подготовки температуры воздуха
Обоснование выбора управляющего ПЛК .
Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Список использованных источников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Приложение А. Постановка задач курсового проектирования: техническое предложение
Приложение Б. Тактовая циклограмма работы САУ ПВВ
Приложение В. Математическая модель САР температуры воздуха по обслуживаемому помещению в среде VisSim v6.0 .
Приложение Г. Принципиальная функциональная схема автоматизации ПВВ
Приложение Д. Пояснительная таблица функциональной схеме автоматизации
Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве. Непрерывным условием ускорения темпов роста автоматизации является развитие технических средств автоматизации. К техническим средствам автоматизации относятся все устройства входящие в систему управления и предназначенные для получения информации ее передачи хранения и преобразования а также для осуществления управляющих и регулирующих воздействий на технологический объект управления.
Развития технологических средств автоматизации является сложным процессом в основе которого лежат интересы автоматизируемых производств потребителей с одной стороны и экономические возможности предприятий – изготовителей с другой. Первичным стимулом развития является повышение эффективности работы производств – потребителей за счет внедрения новой техники могут быть целесообразными только при условии быстрой окупаемости затрат. Поэтому критерием всех решений по разработкам и внедрению новых средств должен быть суммарный экономический эффект с учетом всех затрат на разработку производство и внедрение. Соответственно к разработке изготовлению следует принимать прежде всего те варианты технических средств которые обеспечиваю максимум суммарного эффекта.
Постоянное расширение сферы автоматизации является одной из главных особенностей промышленности на данном этапе.
Особое внимание уделяется вопросам промышленной экологии и безопасности труда производства. При проектировании современной технологии оборудования и конструкций необходимо научно обосновано подходить к разработке безопасности и безвредности работ.
На современном этапе развития народного хозяйства страны одной из основных задач является повышение эффективности общественного производства на основе научно-технического процесса и более полное использования всех резервов. Эта задача неразрывно связана с проблемой оптимизации проектных решений цель которых заключается в создании необходимых предпосылок для повышения эффективности капиталовложений сокращения сроков их окупаемости и обеспечения наибольшего прироста продукции на каждый затраченный рубль. Повышение производительности труда выпуск качественной продукции улучшение условий труда и отдыха трудящихся обеспечивают системы вентиляции воздуха которые создают необходимый микроклимат и качество воздушной среды в помещениях.
Цель курсового проекта – разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией (САУ ПВВ) производственных цехов.
Проблема рассматриваемая в курсовом проекте обусловлена износом существующей системы автоматики ПВВ. В качестве объекта внедрения выбран участок литья под давлением (В-категория по пожаробезопасности) а также прилегающие к нему помещения – участок станков ЧПУ планово-диспетчерское бюро склады.
Задачи курсового проекта сформулированы в результате исследования текущего состояния САУ ПВВ и на основании аналитического обзора приведены в разделе 3 «Техническое предложение».
Использование управляемой вентиляции открывает новые возможности для решения поставленных выше задач. Разрабатываемая система автоматического управления должна быть оптимальной в отношении выполнения обозначенных функций.
Как уже было отмечено выше актуальность разработки обусловлена как устареванием существующей САУ ПВВ увеличением количества ремонтных работ на вентиляционных «трассах» так и общим ростом заболеваемости дыхательных путей и простудных заболеваний рабочих тенденцией ухудшения самочувствия при долгих работах и как следствие общим падением производительности труда и качества производимой продукции. Немаловажно отметить тот факт что существующая САУ ПВВ не связана с пожарной автоматикой что является недопустимым для подобного рода производств. Разработка новой САУ ПВВ напрямую связана с политикой завода в области качества (ISO 9000) а также с программами модернизации заводского оборудования и автоматизации систем жизнеобеспечения цехов.
В курсовом проекте используются интернет – ресурсы (форумы электронные библиотеки статьи и публикации электронные порталы) а также техническая литература необходимой предметной области и тексты стандартов (ГОСТ СНИП СанПиН).
1. Основные функции управления ПВВ
1.1. Функция «контроль и регистрация параметров»
В соответствии с СНиП 2.04.05-91 обязательными параметрами контроля являются:
- температура и давление в общих подающем и обратном трубопроводах и на выходе каждого теплообменника;
- температура воздуха наружного приточного после теплообменника а также температура в помещении;
- нормы ПДК вредных веществ в вытягиваемом из помещения воздухе (наличие газов продуктов горения нетоксичной пыли).
Другие параметры в системах приточно-вытяжной вентиляции контролируются по требованию технических условий на оборудование или по условию эксплуатации.
Дистанционный контроль предусматривают для измерения основных параметров технологического процесса или параметров задействованных в реализации других функций управления. Такой контроль осуществляется с помощью датчиков и измерительных преобразователей с выводом (при необходимости) измеренных параметров на индикатор или экран управляющего прибора (пульт управления монитор ЭВМ).
Для измерения других параметров обычно используют местные (переносные или стационарные) приборы – показывающие термометры манометры устройства спектрального анализа состава воздуха и т.п.
Применение местных контролирующих приборов не нарушает основной принцип систем управления – принцип обратной связи. В этом случае он реализуется либо с помощью человека (оператора или обслуживающего персонала) либо с помощью управляющей программы «зашитой» в память микропроцессора.
1.2. Функция «оперативное и программное управление»
Немаловажным является реализовать такую опцию как «последовательность пуска». Для обеспечения нормального пуска системы ПВВ следует учитывать:
- предварительное открытие воздушных заслонок до пуска вентиляторов. Это выполняется в связи с тем что не все заслонки в закрытом состоянии могут выдержать перепад давлений создаваемый вентилятором а время полного открытия заслонки электроприводом доходит до двух минут.
- разнесение моментов запуска электродвигателей. Асинхронные электродвигатели зачастую могут иметь большие пусковые токи. Если одновременно запустить вентиляторы приводы воздушных заслонок и другие приводы то из-за большой нагрузки на электрическую сеть здания сильно упадет напряжение и электродвигатели могут не запуститься. Поэтому запуск электродвигателей особенно большой мощности необходимо разносить по времени.
- предварительный прогрев калорифера. Если не осуществить предварительный прогрев водяного калорифера то при низкой температуре наружного воздуха может сработать защита от замораживания. Поэтому при запуске системы необходимо открыть заслонки приточного воздуха открыть трехходовой клапан водяного калорифера и прогреть калорифер. Как правило эта функция включается при температуре наружного воздуха ниже 12 °С.
Обратная опция – «последовательность останова» При отключении системы следует учитывать:
- задержку остановки вентилятора приточного воздуха в установках с электрокалорифером. После снятия напряжения с электрокалорифера следует охлаждать его некоторое время не выключая вентилятор приточного воздуха. В противном случае нагревательный элемент калорифера (тепловой электрический нагреватель – ТЭН) может выйти из строя.
Для существующих задач курсового проектирования данная опция не является важной вследствие использования водяного калорифера однако немаловажно отметить и ее.
Таким образом на основании выделенных опций оперативного и программного управления можно представить типовой график включения и отключения аппаратов устройств ПВВ.
Рис. 1.2 – Типовая циклограмма работы САУ ПВВ с водяным калорифером
Весь этот цикл (рис. 1.2) система должна отрабатывать автоматически а кроме того должен быть предусмотрен индивидуальный пуск оборудования который необходим при наладке и профилактических работах.
Немаловажное значение имеют функции программного управления такие как смена режима «зима-лето». Особенно актуальна реализация этих функций в современных условиях дефицита энергетических ресурсов. В нормативных документах [3] выполнение этой функции носит рекомендательный характер – «для общественных административно-бытовых и производственных зданий следует как правило предусматривать программное регулирование параметров обеспечивающее снижение расхода теплоты».
В простейшем случае эти функции предусматривают или вообще отключение ПВВ в определенный момент времени или снижение (повышение) заданного значения регулируемого параметра (например температуры) в зависимости от изменения тепловых нагрузок в обслуживаемом помещении.
Более эффективным но и более сложным в реализации является программное управление предусматривающее автоматическое изменение структуры ПВВ и алгоритма ее функционирования не только в традиционном режиме «зима-лето» но и в переходных режимах. Анализ и синтез структуры ПВВ и алгоритма ее функционирования обычно производится на основе их термодинамической модели.
При этом основной мотивацией и критерием оптимизации как правило является стремление обеспечить возможно минимальное потребление энергии при ограничениях на капитальные затраты габариты и т.д.
1.3. Регулирующие функции
Регулирующие функции – автоматическое поддержание заданных параметров являются основными по определению [3] для систем приточно-вытяжной вентиляции работающей с переменным расходом рециркуляцией воздуха подогревом воздуха.
Эти функции выполняются с помощью замкнутых контуров регулирования в которых принцип обратной связи присутствует в явном виде: информация об объекте поступающая от датчиков преобразуется регулирующими устройствами в управляющие воздействия. На рис. 1.3 приведен пример контура регулирования температуры приточного воздуха в канальном кондиционере. Температура воздуха поддерживается водяным калорифером через который пропускается теплоноситель. Воздух проходя через калорифер нагревается. Температура воздуха после водяного калорифера измеряется датчиком (Т) далее ее величина поступает на устройство сравнения (УС) измеренного значения температуры и температуры уставки. В зависимости от разности между температурой уставки (Tуст) и измеренным значением температуры (Тизм) устройство управления (Р) вырабатывает сигнал воздействующий на исполнительный механизм (М – электропривод трехходового клапана). Электропривод открывает или закрывает трехходовой клапан до положения при котором ошибка:
Рис. 1.3 - Контур регулирования температуры приточного воздуха в воздуховоде с водяным теплообменником:
Т - датчик; УС - устройство сравнения; Р - регулирующее устройство;
М - исполнительное устройство
Таким образом построение системы автоматического регулирования (САР) на основании требований к точности и другим параметрам ее работы (устойчивости колебательности и др.) сводится к выбору ее структуры и элементов а также к определению параметров регулятора.
Обычно это выполняется специалистами по автоматизации с использованием классической теории автоматического регулирования. Отмечу только что параметры настройки регулятора определяются динамическими свойствами объекта управления и выбранным законом регулирования. Закон регулирования – взаимосвязь между входным () и выходным (Uр) сигналами регулятора.
Простейшим является пропорциональный закон регулирования в котором и Uр связаны между собой постоянным коэффициентом Кп. Этот коэффициент и есть параметр настройки такого регулятора который называют П-регулятор. Его реализация требует применения регулируемого усилительного элемента (механического пневматического электрического и т. п.) который может функционировать как с привлечением добавочного источника энергии так и без него.
Одной из разновидностей П-регуляторов являются позиционные регуляторы которые реализуют пропорциональный закон регулирования при Кп и формируют выходной сигнал Uр имеющий определенное число постоянных значений например два или три соответствующие двух- или трехпозиционным регуляторам. Такие регуляторы иногда называют релейными из-за сходства их графических характеристик с характеристиками реле. Параметром настройки таких регуляторов служит величина зоны нечувствительности Δ.
В технике автоматизации систем вентиляции двухпозиционные регуляторы в виду простоты и надежности нашли широкое применение при регулировании температуры (термостаты) давления (прессостаты) и других параметров состояния процесса.
Двухпозиционные регуляторы используются также в системах автоматической защиты блокировок и переключения режимов работы оборудования. В этом случае их функции выполняют датчики-реле.
Несмотря на указанные достоинства П-регуляторов они обладают большой статической ошибкой (при малых значениях Кп) и склонностью к автоколебаниям (при больших значениях Кп). Поэтому при более высоких требованиях к регулирующим функциям систем автоматики по точности и устойчивости применяют и более сложные законы регулирования например ПИ- и ПИД-законы.
Также регулирование температуры подогрева воздуха может быть выполнено П-регулятором работающим по принципу балансировки: увеличивать температуру при ее значении меньшем чем уставка и наоборот. Такая интерпретация закона также нашла применение в системах не требующих высоких точностей.
2. Варианты существующих типовых схем автоматики вентиляции производственных цехов
Существует ряд стандартных реализаций автоматики системы приточно-вытяжной вентиляции каждая и них имеет ряд преимуществ и недостатков. Отмечу что несмотря на наличие множества типовых схем и разработок весьма сложно создать такую САУ которая бы была гибкой по настройкам относительно производства на котором она внедряется. Таким образом для проектирования САУ ПВВ необходим тщательный анализ существующей структуры вентиляции анализ технологических процессов производственного цикла а также анализ требований по охране труда экологии электро- и пожаробезопасности. Более того зачастую проектируемая САУ ПВВ является специализированной относительно области своего применения.
В любом случае в качестве типовых исходных данных на начальном этапе проектирования обычно принято рассматривать следующие группы:
Общие данные: территориальное расположение объекта (город район);тип и назначение объекта.
Сведения о здании и помещениях: планы и разрезы с указанием всех размеров и отметок высот относительно уровня земли; указание категорий помещений (на архитектурных планах) в соответствии с противопожарными нормами; наличие технических площадей с указанием их размеров; расположение и характеристики существующих систем вентиляции; характеристики энергоносителей;
Сведения о технологическом процессе: чертежи технологического проекта (планы) с указанием размещения технологического оборудования; спецификация оборудования с указанием установленных мощностей; характеристики технологического режима — число рабочих смен среднее количество рабочих в смен; режим работы оборудования (одновременность работы коэффициенты загрузки и др.); количество вредных выделений в воздушную среду (ПДК вредных веществ).
В качестве исходных данных для расчета автоматики системы ПВВ выносят:
-производительность существующей системы (мощность воздухообмен);
-перечень параметров воздуха подлежащих регулированию;
-пределы регулирования;
-работа автоматики при поступлении сигналов от других систем.
Таким образом исполнение системы автоматики проектируется исходя из возложенных на нее задач с учетом норм и правил а также общих исходных данных и схем. Составление схемы и подбор аппаратуры системы автоматики вентиляции выполняется индивидуально.
Приведем существующие типовые схемы систем управления приточно-вытяжной вентиляцией охарактеризуем некоторые из них относительно возможности применения для решения задач дипломного проекта (рис. 1.4 – 1.5 1.9).
Рис. 1.4 –САУ прямоточной вентиляции
Данные системы автоматики нашли активное применение на фабриках заводах в офисных помещениях.
Рис. 1.5– САУ вентиляцией с теплоутилизаторами
Построение САУ ПВВ с использованием теплоутилизаторов (рекуператоров) позволяет решать проблемы перерасхода электроэнергии (для электрокалориферов) проблемы выбросов в окружающую среду. Смысл рекуперации в том что удаляемый безвозвратно воздух из помещения обладающей температурой заданной в помещении обменивается энергией с поступающим наружным воздухом параметры которого как правило значительно отличаются от заданных. Т.е. зимой удаляемый теплый вытяжной воздух частично нагревает наружный приточный воздух а летом более холодный вытяжной воздух частично охлаждает приточный воздух. В лучшем случае на рекуперации можно уменьшить энергозатраты на обработку приточного воздуха на 80 %.
Технически рекуперация в приточно-вытяжной вентиляции осуществляется применением вращающихся теплоутилизаторов и систем с промежуточным теплоносителем.
Таким образом получаем выигрыш как на нагревании воздуха так и на сокращении открытий заслонок (допускается большее время простоя двигателей управляющих заслонками) – все это дает общий выигрыш в плане экономии электроэнегрии.
Системы с рекуперацией тепла являются перспективными и активно и внедряются вместо старых вентиляционных систем. Однако стоит отметить что подобные системы стоят дополнительных капиталовложений однако и срок их окупаемости сравнительно мал в то время как рентабельность очень высока. Также отсутствие постоянного выброса в окружающую среду повышает экологические показатели подобной организации автоматики ПВВ. Упрощенно работа системы с рекуперацией тепла из воздуха (рециркуляцией воздуха) представлена на рис.1.6.
Рис. 1.6 – Работа системы воздухообмена с рециркуляцией (рекуперацией)
Перекрестноточные или пластинчатые рекуператоры (рис. 1.5 вг) состоят из пластин (алюминиевых) представляющих систему каналов для протекания двух потоков воздуха. Стенки каналов являются общими для приточного и вытяжного воздуха и легко передают. Благодаря большой площади поверхности обмена и турбулентному течению воздуха в каналах добиваются высокой степени теплоутилизации (теплопередачи) при относительно низком гидравлическом сопротивлении. Эффективность пластинчатых рекуператоров доходит до 70%.
Рис. 1.7 – Организация воздухообмена САУ ПВВ на основе пластинчатых рекуператоров
Утилизируется только явное тепло вытяжного воздуха т.к. приточный и вытяжной воздух некоим образом не смешиваются а конденсат образующий при охлаждении вытяжного воздуха задерживается сепаратором и отводиться дренажной системой из сливного поддона. Для предотвращения замерзания конденсата при низких температурах (до -15оС) формируются соответствующие требования к автоматике: она должна обеспечивать периодическую остановку приточного вентилятора или отвод части наружного воздуха в обводной канал в обход каналов рекуператора. Единственное ограничение в применении данного метода состоит в обязательном пересечении приточной и вытяжной ветки в одном месте что в случае простой модернизации САУ накладывает ряд трудностей.
Системы рекуперации с промежуточным теплоносителем (рис. 1.5 аб) - представляют собой пару теплообменников соединенных замкнутым трубопроводом. Один теплообменник находится в вытяжном канале а другой в приточном. По замкнутому контуру циркулирует незамерзающая гликолевая смесь перенося тепло от одного теплообменника до другого причем в этом случае расстояние от приточной установки до вытяжной может весьма значительным.
Эффективность теплоутилизации при таком методе не превышает 60 %. Стоимость сравнительна велика однако в некоторых случаях это может быть единственным вариантом теплоутилизации.
Рис. 1.8 – Принцип теплоутилизации с применением промежуточного теплоносителя
Роторный теплоутилизатор (вращающийся теплообменник рекуператор) - представляет собой ротор с каналами для горизонтального прохода воздуха. Часть ротора находится в вытяжном канале а часть - в приточном. Вращаясь ротор получает тепло вытяжного воздуха и передает его приточному причем передается как явное так и скрытое тепло а также влажность. Эффективность теплоутилизации максимальна и достигает 80 %.
Рис. 1.9 – САУ ПВВ с роторным рекуператором
Ограничение на применение данного метода накладывает прежде всего то что до 10 % вытяжного воздуха смешивается с приточным а в ряде случаев это недопустимо или нежелательно (если воздух имеет значительный уровень загрязнения). Требования к конструкции аналогичны предыдущему варианту - вытяжная и приточная машина находится в одном месте. Этот способ дороже первого и реже находит применение.
В целом системы с рекуперацией стоят на 40-60 % дороже аналогичных систем без рекуперации однако затраты на эксплуатацию при этом будут отличаться в разы. Даже при сегодняшних ценах на энергоносители время окупаемости системы рекуперации не превышает двух отопительных сезонов.
Хотелось бы отметить что на энергосбережение влияют в том числе и алгоритмы управления. Однако всегда следует учитывать что все системы вентиляции рассчитываются на некоторые усредненные условия. Например расход наружного воздуха определяли на одно количество людей а реально в помещении может находиться менее 20 % от принятого значения конечно в таком случае расчетный расход наружного воздуха будет явно избыточным работа вентиляции в избыточном режиме приведет к необоснованной потере энергоресурсов. Логично в таком случае рассмотреть несколько режимов эксплуатации–например зимнийлетний. Если автоматика способна установить подобные режимы – экономия очевидна. Еще одни подход связан с регулированием расхода наружного воздуха в зависимости от качества газовой среды внутри помещения т.е. система автоматики включает в себя газоанализаторы на вредные газы и подбирает значение расхода наружного воздуха таким образом чтобы содержание вредных газов не превышало предельно-допустимых значений.
1Описание существующей системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов
Для обеспечения основного принципа вентиляции производственных цехов заключающегося в поддержании в допустимых пределах параметров и состава воздуха необходимо подавать чистый воздух к местам нахождения рабочих с последующим распределением воздуха по всему помещению.
Ниже на рис. 2.1 приведена иллюстрация типовой системы приточно-вытяжной вентиляции подобная которой имеется на участке внедрения.
Вентиляционная система производственного помещения состоит из вентиляторов воздуховодов приемных устройств наружного воздуха устройств для очистки поступающего и выбрасываемого в атмосферу воздух устройства нагрева воздуха (водяной калорифер).
Проектирование существующей приточно-вытяжной вентиляционной систем велось в соответствии с требованиями СНиП II 33-75 «Отопление вентиляция и кондиционирование воздуха» а также ГОСТ 12.4.021-75 «ССБТ. Системы вентиляционные. Общие требования» в котором указаны требования при монтаже и пусконаладочных работах и эксплуатации.
Очистка загрязненного воздуха выбрасываемого в атмосферу осуществляется специальными устройствами – пылеотделителями (применяется на производственном участке литья под давлением) фильтрами воздуховодов и др. При этом необходимо учесть что пылеотделители не требуют дополнительного управления и срабатывают при включении вытяжной вентиляции.
Также очистка вытянутого из рабочей зоны воздуха может выполняться в пылеосадочных камерах (только для крупной пыли) и электрофильтрах (для мелкой пыли). Очистка воздуха от вредных газов осуществляется с использованием специальных абсорбирующих и дезактивирующих веществ в том числе и нанесенных на фильтры (в ячейках фильтрах).
Рис. 2.1 – Система приточно-вытяжной вентиляции производственного цеха
-воздухозаборное устройство; 2 -калориферы для подогрева; 3- приточный вентилятор;
- магистральный воздуховод; 5 - ответвления воздуховода; 6 - приточные насадки;
- местные отсосы; 8 и 9 – магистр. воздуховод вытяжной установки; 10 - пылеотделитель;
- вытяжной вентилятор; 12 - шахта выброса очищенного воздуха в атмосферу
Автоматика существующей системы является сравнительно простой. Технологический процесс проветривания выглядит следующим образом:
Начало рабочей смены – производится пуск системы приточно-вытяжной вентиляции. Вентиляторы приводятся в действие централизованным устройством запуска. Другими словами пульт управления представляет собой два пускателя – для старта и аварийного остановавыключения. Смена продолжается 8 часов – с часовым перерывом то есть система в среднем простаивает 1 час в рабочее время. Кроме того подобная «сблокированность» управленияявляетсяэкономическинеэффективнойтаккакприводиткпере-расходуэлектроэнергии.
Следует отметить что нет производственной необходимости чтобы вытяжная вентиляцияработалапостоянно целесообразно включать ее тогда когда воздух загрязнен либо например требуется отвод излишней тепловой энергииотрабочейзоны.
Открытие заслонок воздухозаборных устройств также управляется местной пускательной аппаратурой воздух с параметрами внешней среды (температура чистота) за счет разницы в давлении затягивается в воздуховоды приточным вентилятором.
Взятый из внешней среды воздух проходит через водяной калорифер нагревается до допустимых температурных значений и по воздуховодам через приточные насадки нагнетается в помещение.
Водяной калорифер обеспечивает значительный нагрев воздуха управление калорифером – ручное специалист по электромонтажу открывает заслонку клапана. На летний период калорифер отключается. В качестве теплоносителя используется горячая вода подаваемая от внутризаводской котельной.
Не предусмотрена система автоматического регулирования температуры воздуха вследствие чего происходит большой перерасход ресурса.
Применение водяных калориферов экономически выгодно так как они практически не требуют затрат электроэнергии (в сравнении с электрокалориферами)питаются от собственной заводской котельной – отсутствие сторонних затрат на оплату нагрева воды.
Запуск вытяжной системы происходит одновременно с приточной. Таким образом система построена так что вытяжная система функционирует даже при отсутствии в этом необходимости. Воздух забирается вытяжными зонтами и попадает в пылеочиститель (для данного цеха) либо проходит через абсорбирующие фильтры (забирают вредные примеси из воздуха) и очищенный выбрасывается в окружающую среду через общий вытяжной магистральный воздуховод. Вытяжной вентилятор создает достаточный перепад давлений для того чтобы обеспечить местную вытяжку воздуха рабочих зон и организовать движение воздуха через фильтры и пылеотделители.
Конец рабочей смены (или останов вентиляции на обеденный перерыв – как правило в летний период) – вентиляция отключается причем порядок отключения не регламентирован (человеческий фактор ошибки) заслонки воздухозаборных устройств закрываются.
Таким образом можно сделать вывод что существующая в приведенном производственном помещении местная система управления приточно-вытяжной вентиляцией не является оптимальной хотя и обеспечивает допустимые значения параметров микроклимата рабочей зоны.Кроме того отсутствие регулировки режимов работы вентиляции режимов подогрева и очистки воздуха влечет за собой огромные экономические затраты которых можно избежать. Они сказываются и в перерасходе электроэнергии и в снижении износостойкости вентиляционного оборудования в уменьшении сроков наработки техники на отказ.
На основании проведенного анализа состояния системы автоматики ПВВ а также существующего на предприятии технологического процесса подготовки воздуха было принято решение о модернизации системы путем организации системы автоматического управления и регулирования позволяющей решать следующие задачи:
- управление приточными и вытяжными вентиляторами в автоматическом и ручном режиме управления мониторинг состояния;
- управление воздушными заслонками;
- управление трехходовым клапаном (задача регулирования температуры);
- поддержание заданного микроклимата в помещении;
- защита калорифера от замораживания;
- выдача сигналов о состоянии фильтров.
Приведу упрощенную структурную схему САУ ПВВ с точки зрения входящих в нее подсистем и принципов управления ими (дистанционно автоматически местно). Данная схема (рис. 2.2) может быть рассмотрена как схема декомпозиции системы вентилирования с точки зрения участвующих в подготовке воздуха подсистем.
Выделены наиболее важные блоки требующие детального изучения и проработки.
Насос находится в заводской котельной и постоянно создает напор нагретой воды на заслонку трехходового клапан системы подогрева воздуха (водяной калорифер). Управление циркуляционным насосом котельной и температурой подаваемого в калорифер теплоносителя не входит в задачи дипломного проектирования.
КПУ и АРМ выступают в роли опций и могут быть рассмотрены как перспективы развития проекта. В рамках данного проекта ограничимся управлением устройствами приточно-вытяжной вентиляции и индикацией состояний исполнительных механизмов и системы на выбранном шкафе автоматики марки WAGO Stream.
Таким образом были проанализированы подходы к решению задач дипломного проектирования рассмотрены типовые схемы существующих автоматик систем ПВВ а также выполняемые ими группы функций. Можно сделать выводы об актуальности проблемы поднимаемой в дипломном проектировании.
На основании имеющихся исходных данных была проанализирована и декомпозирована существующая на заводе система автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов отображены ее недостатки и недоработки.
Рис. 2.2 – Обобщенная структурная схема САУ ПВВ
На основании требований ГОСТ12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» а также планов производственных помещений были сформулированы исходные данные (температура скорость движения воздуха требования к уровню ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны) и их диапазоны регулирования.
Были найдены и подчеркнуты недостатки существующего на предприятии технологического процесса вентилирования воздуха в частности:
-отсутствие качественных режимов регулирования и управления;
-отсутствие связей с пожарной автоматикой;
-отсутствие централизованного мониторинга состояния системы;
-отсутствие защитных режимов работы калорифера.
Техническое предложение
На основании информации представленной в разделах 1-2 сформируем цель задачи и техническое предложение курсового проекта.
Цель курсового проекта – разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов.
Основными задачами являются:
) изучение участка вентиляционной сети производственных помещений как объекта управления;
) исследование математической модели тепловых процессов и процессов воздухообмена в производственных помещениях;
) разработка алгоритмов управления системой вентилирования с учетом отработки внештатных ситуаций (написание управляющей программы);
) моделирование переходных процессов в системе автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией (процессы регулирования подогрева воздуха посредством использования водяного калорифера).
) расчет эффективности разработанной системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией.
Таким образом опишем необходимый функциональный минимум которым по итогам проектирования и разработки должна обладать САУ ПВВ:
Контроль и регулирование параметров микроклимата рабочих зон производственных помещений (температура воздуха скорость движения воздуха).
Контроль чистоты воздуха в рабочей зоне линий и станков с последующей очисткой вытянутого системой воздуха (нормы ПДК вредных веществ в воздушной среде).
Регулирование температуры в процессе подогрева воздуха в водяном калорифере обеспечение защиты калорифера от переохлаждения (выбор закона регулирования типа применяемого регулятора разработка принципиальной схемы регулирования).
Режимы работы системы (оперативное управление):
- для приточной вентиляции:
а) режим «обычного притока»;
б) режим «экстренного притока» (для удаления продуктов горения или охлаждения помещения за счет увеличения скорости движения воздуха и ламинарного перемешивания потоков воздуха);
в) дежурный режим (при работе режима «экстренной вытяжки» или при получении сигналов от пожарной автоматики и сигналов о перегреве калорифера режим простоя оборудования).
- для вытяжной вентиляции:
а) режим «обычной вытяжки» (сигнал с пылевых температурных газовых датчиков);
б) режим «экстренной вытяжки» (при получении сигнала от пожарной автоматики);
- для водяного калорифера:
а) режим нагревания воздуха (холодный период);
б) режим защиты от переохлаждения;
в) режим аварийного отключения (при перегреве).
Под дежурным режимом работы оборудования следует понимать начальный и аварийный режимы то есть такие режимы в которых система находится перед пуском или после получения сигнала об аварии.
Предусмотреть в управляющей программе индикацию аварийных состояний: загрязнение очистных блоков – фильтров (на основании обработки показаний с датчиков перепада давлений) поломка вентилятора аварии калориферной установки положение шиберов.
Управление заслонками воздухозаборников (шиберы) должно быть сопряжено с работой вентиляторов во избежание их поломки.
Предусмотреть как режим автоматического включения вентиляторов так и режим ручного (местного) управления системой (в случае выхода автоматики из строя или технического обслуживания диагностики и ремонта системы).
Предусмотреть связь САУ ПВВ с существующей в производственном цеху системой пожарной автоматики а также алгоритм действия в случае возникновения подобных ситуаций.
Для управления выбирать режимы являющиеся наименее «тяжелыми» для отработки на конечных установках (например «разнесенный» по времени пуск асинхронных моторов вентиляторов линейный запуск электроприводов).
Решаемые в курсовом проектировании задачи структурированы и представлены в приложении Б. Также в данном приложении кратко даны пояснения этапам то есть то чего необходимо достигнуть в результате выполнения проекта и какая информация при этом используются.
Математическая модель процесса вентиляции производственных помещений выбор и описание средств автоматизации и элементов управления
1. Приточный и вытяжные центробежные вентиляторы
Обычный центробежный вентилятор представляет собой расположенное в спиральном кожухе колесо с рабочими лопастями при вращении которого воздух поступающий через входное отверстие попадает в каналы между лопастями и под действием центробежной силы перемещается по этим каналам собирается спиральным кожухом и направляется в его выпускное отверстие. Кожух также служит для преобразования динамического напора в статический. Для усиления напора за кожухом ставят диффузор. На рис. 4.1 представлен общий вид центробежного вентилятора.
Рис. 4.1 - Общий вид центробежного вентилятора
Характеристики вентиляторов выражают связь между основными параметрами его работы. Полная характеристика вентилятора при постоянной частоте вращения вала (n = const) выражается зависимостями между подачей Q и давлением Р мощностью N и к. п. д. Зависимости P(Q) N(Q) и T(Q) обычно строят на одном графике. По ним подбирают вентилятор. Характеристику строят на основе испытаний. На рис. 4.2 представлена аэродинамическая характеристика центробежного вентилятора ВЦ-4-76-16
Рис. 4.2 - Аэродинамическая характеристика вентилятора ВЦ-4-76-16
Производительность вентилятора составляет 70000 м3ч или 194 м3с. Частота вращения вала вентилятора - 720 обмин. или 7536 радсек. мощность приводного асинхронного двигателя вентилятора составляет 35 кВт.
Вентилятор нагнетает наружный атмосферный воздух в калорифер. В результате теплообмена воздуха с горячей водой пропускаемой через трубки теплообменника происходит нагрев проходящего воздуха.
Рассмотрим схему регулирования режима работы вентилятора ВЦ-4-76 №16. На рис. 4.3 приведена функциональная схема вентиляторного агрегата при регулировании частотой вращения.
Рис. 4.3 - Функциональная схема вентиляторного агрегата регулируемого изменением частоты вращения асинхронного двигателя (w) ПЧ – преобразователь частот
Передаточную функцию вентилятора можно представить в виде коэффициента усиления который определяется исходя из аэродинамической характеристики вентилятора (рис. 4.2). Коэффициент усиления вентилятора в рабочей точке равен 1819 м3 с (минимально возможный установлено экспериментально).
Рис. 4.4 - Математическая модель центробежного вентилятора
Экспериментально установлено что для реализации необходимых режимов работы вентилятора необходима подача на управляющий преобразователь частот следующих значений напряжения (табл. 4.1):
Режимы работы приточной вентиляции
Коэффициент усиления м3 с
Управляющее напряжение Uзf В
Режим «обычного притока»
Режим «экстренного притока»
При этом для повышения надежности электродвигателя вентиляторов как приточной так и вытяжной секции нет необходимости задавать им режимы работы с максимальной производительностью. Задача экспериментальных исследования заключалась в нахождении таких управляющих напряжений при которых соблюдались бы рассчитанные далее нормы кратности воздухообмена.
Вытяжная вентиляция представлена тремя центробежными вентиляторами марок ВЦ-4-76-12 (производительность 28000 м3ч при n=350 обмин мощность асинхронного привода N=195 кВт) и ВЦ-4-76-10 (производительность 20000 м3ч при n=270 обмин мощность асинхронного привода N=125 кВт).
Аналогично приточной для вытяжной ветви вентиляции были экспериментально получены величины управляющих напряжений (табл. 4.2).
Для предотвращения состояние «кислородного голодания» у рабочих цехов рассчитаем нормы воздухообмена при выбранных режимах работы вентиляторов. Он должен удовлетворять условию:
Режимы работы вытяжной вентиляции
Центробежный вентилятор ВЦ-4-76-12
Режим «обычной вытяжки»
Режим «экстренной вытяжки»
Центробежный вентилятор ВЦ-4-76-10
В расчете пренебрежем приточным воздухом поступающим извне а также архитектурой здания (стены перекрытия).
Размеры помещений под вентилирование: 150х40х10 м общий объем помещения равен Vпомещ60000 м3 . Необходимый объем приточного воздуха равен 66000 м3 ч (для коэффициента 11 – выбран минимальным так как не учтен приток воздуха извне). Очевидно что выбранные режимы работы приточного вентилятора удовлетворяют поставленному условию.
Суммарный объем вытянутого воздуха рассчитаем по следующей формуле:
Для расчета вытяжной ветви выбраны режимы «экстренной вытяжки». С учетом поправочного коэффициента 11 (так как аварийный режим работы принят как наименее возможный) объем вытянутого воздуха будет равен 616 м3 ч. Данное значение в рамках допустимых погрешностей и принятых ранее оговорок удовлетворяет условию значит выбранные режимы работы вентиляторов будут справляться с задачей обеспечения кратности воздухообмена.
Также в электродвигателях вентиляторов присутствует встроенная защита от перегрева (термостат). При возрастании температуры на двигателе релейный контакт термостата остановит работу электродвигателя. Датчик перепада давления зафиксирует остановку электродвигателя и выдаст сигнал на пульт управления. Необходимо предусмотреть реакцию САУ ПВВ на аварийную остановку двигателей вентиляторов.
2. Преобразователь частоты (ПЧ)
Регулировать работу центробежных вентиляторов возможно с помощью преобразователя частоты (ПЧ). Преобразователь частоты осуществляет регулирование частоты тока статора электродвигателя вентилятора в зависимости от сигнала задания. Скорость вращения ротора определяется частотой тока статора. В соответствии с теорией электрических машин частота вращения ротора асинхронного электродвигателя изменяется не мгновенно при изменении частоты тока статора. При изменении частоты тока статора возникает переходной процесс при котором электродвигатель переходит в новое равновесное состояние характеризующееся новой частотой вращения ротора. Время переходного процесса зависит от суммарного момента инерции вращающихся масс вентилятора и ряда других причин. Поэтому в первом приближении передаточную функцию ПЧ можно записать в виде апериодического звена. Передаточная функция запишется в следующем виде:
– коэффициент преобразователя частоты;
Кj – коэффициент передачи который характеризует степень изменения скорости вентилятора при изменении частоты тока статора двигателя;
Тj – постоянная времени характеризующая инерционность разгона вентилятора.
определяется по соотношению:
– максимальная частота тока статора Uзf max – максимальное напряжение подаваемое с устройства управления (программируемого логического контроллера).
Рассчитаем Кj по формуле:
Вmax – максимальная частота вращения вентилятора которая равна:
Тогда Кj будет равняться:
Постоянная времени Тj определяется по выражению исходя из фактического времени разгона двигателем вентилятора которое составляет Tразгон =10 сек. Поэтому:
Передаточная функция преобразователя частоты представляется в виде:
Расчет коэффициентов передаточной функции приведен для максимальной производительности приточного вентилятора. Так как в задачи дипломного проектирования не входит построение модели системы по расходу воздуха то опустим расчеты значений остальных коэффициентов.
Для обеспечения плавного пуска электродвигателя входное управляющее напряжение рекомендуется подавать по линейному или экспоненциальному закону.
3. Калориферная установка
Калориферы предназначены для нагрева чистого воздуха в системах кондиционирования воздуха вентиляции воздушного отопления и в сушильных установках. Классифицировать применяющиеся в настоящее время калориферы можно по нескольким признакам. На рис. 4.5 приведена краткая классификация калориферов.
Теплоноситель (вода или пар) поступает через входной штуцер проходит по трубкам и удаляется через выходной штуцер. Нагреваемый воздух обтекает внешние поверхности труб. По ходу движения воздуха трубки в калориферах могут располагаться в коридорном или шахматном порядке. В последнем случае обеспечиваются лучшие условия теплопередачи однако вместе с этим возрастает и сопротивление воздуха.
В одноходовых калориферах доступ теплоносителя из распределительных коробок открыт во все трубки и теплоноситель проходит по ним между распределительной и сборной коробками один раз.
Коробки многоходовых калориферов имеют поперечные перегородки которые создают последовательное движение теплоносителя по трубкам. В таких калориферах скорость движения теплоносителя в трубках при одинаковом расходе по сравнению с одноходовыми больше в связи с чем интенсивность теплопередачи возрастает. В то же время живое сечение трубок меньше следовательно больше сопротивление движимого теплоносителя.
В ребристых калориферах наружная поверхность труб имеет оребрение благодаря чему площадь теплопередающей поверхности увеличивается. Количество трубок ребристых калориферов меньше чем у гладкотрубчатых но технические показатели выше. Оребрение поверхностных трубок выполняется различными способами.
В пластинчатых калориферах ребра образованы стальными пластинами насаженными на трубки.
В спирально-навивных калориферах ребра образуются навивкой стальной ленты. При этом за счет большого усилия при навивке обеспечивается плотный контакт между трубкой и лентой что улучшает условия теплоотдачи. Однако при такой конструкции ребер сопротивление движению воздуха больше чем у пластинчатых калориферов.
Рис. 4.5 - Классификация калориферов
Калориферная установка используемая в производственном цеху - марки КВБ12-П (4 последовательно связанных калорифера). Предназначена для подогрева наружного воздуха подаваемого в приточный канал вентиляции. Для г. Вологда диапазон температур наружного воздуха в зимний период составляет от -35оС до +10оС [5 стр.15].
В зимний период работы системы вентиляции нагрев воздуха осуществляется водой в теплообменнике. Калорифер данной марки изготовлен из металлических трубок с алюминиевым оребрением. В случае замерзания воды в этих трубках происходит их разрыв что приводит к вытеканию воды из системы и в дальнейшем требует ремонта или замены теплообменника.
Для защиты от замерзания воды необходимо предусмотреть комплекс
· обеспечить скорость протекания воды не ниже минимально допустимой (обеспечивается выбором трехходового клапана – 138 м3ч – пропускная способность сила напора воды – постоянная определяется производительностью циркуляционного насоса котельной);
· установить защиту по температуре воздуха;
· в случаи срабатывания защиты обеспечить отключение вентилятора закрытие воздушного клапана и открытие регулирующего вентиля.
Для защиты по воздуху устанавливается капиллярный термостат. Капилляр устанавливается за теплообменником перекрывая все сечение воздуховода. Термостат срабатывает при температуре воздуха 5°С замыкая релейный контакт выдает сигнал в щит управления.
Температура теплоносителя равна +80о - +95оС теплоносителем является вода подаваемая в калорифер из заводской котельной. Наружный воздух нагревается проходя через калорифер нагнетаемый приточным центробежным вентилятором. На выходе калорифера температура воздуха проходящего через него составляет примерно 50оС. Далее уже нагретый воздух проходит через сеть воздуховодов попадает в заводские помещения и смешивается с находящимся там воздухом. Столь высокая температура подогрева воздуха обусловлена тепловым рассеиванием на поверхность воздухопроводов.
Калориферная установка – центральный элемент разрабатываемой системы автоматического регулирования температуры приточного воздуха.
Математическая модель данной САР приведена на рис. 4.6.
Рис. 4.6 – Математическая модель САР температуры воздуха
Пояснения к математической модели САР температуры воздуха
передаточная функция задающего устройства
передаточная функция усилителя
передаточная функция электродвигателя
передаточная функция редуктора
передаточная функция проводящего звена (воздухопровод)
передаточная функция заслонки
передаточная функция датчика температуры
программируемый логический контроллер (обведенные пунктиром структурные компоненты – составляют часть логического контроллера работающего в форме П-регулятора с обратной связью
по датчику температуры)
Координаты замкнутой САР
заданное значение температуры
напряжение выдаваемое задающим устройством (регулятор)
напряжение выдаваемое сравнивающим устройством
напряжение на выходе усилителя
угол поворота вала двигателя
угол поворота вала редуктора
угол поворота заслонки
действительное значение температуры пара
Передаточные функции элементов САР взяты из соответствующих технических паспортов на калорифер марки КВБ12-П и входящих в состав системы средств автоматизации а также установлены путем наблюдения и проведения испытаний. Также учитывались консультации специалистов по обслуживанию аналогичных САР.
Кратко приведем передаточные функции и требования к САР ниже:
Передаточная функция пропорционального регулятора (задающее устройство):
Кзу = 01 В0С (установочная чувствительность ПЛК).
Передаточная функции электропривода:
Тм – механическая постоянная времени; Тм = 04 с;
Тэ – электрическая постоянная времени; Тэ = 007 с;
Кдв – коэффициент передачи электропривода; Кдв = 24 угл.град(сВ) (с учетом передаточного соотношения редуктора электропривода 00067).
В системе регулирования для управления трехходовым клапаном используется электрический привод марки REGIN S24 (рис.4.7) с управляющим напряжением 24В постоянного тока:
Рис. 4.7– Электропривод управления трехходовым клапаном REGIN S24
Данный электропривод имеет дискретный вход ("открыто" "закрыто" реле-пускатель на 5 В управляющего напряжения); аналоговый вход (для регулирования). Все это позволяет упростить процесс управления трехходовым клапаном. Принцип работы: в зависимости от пришедшего на вход управляющего напряжения вращает заслонку клапана в соответствующее процессу регулирования положение.
Отрабатывая управляющий дискретный сигнал привод устанавливает регулирующий орган в крайнее положение ("открыто" "закрыто"). Для предотвращения выхода из строя регулирующего органа последний снабжается концевыми выключателями отключающими привод в крайних положениях. Привод оснащен возвратной пружиной возвращающей исполнительный механизм привода в установленное состояние "закрыто" при аварийном сбое. Дискретный сигнал на выключение при управляющем сигнале по аналоговому выходу оставит заслонку в позиции соответствующей подаваемому значению напряжения. Воспользуемся данной особенностью для обеспечения защиты калорифера от замерзания.
В конструкции приводов предусматривается ручная настройка концевых выключателей и ручное управление клапаном. Таким образом реализуется местное управление калорифером.
Электроприводы с аналоговым входом могут передавать сигнал управления на регулирующий орган в виде:
а) "ступенек" когда каждая такая ступенька представляет собой импульс определенного уровня направленный либо на увеличение либо на уменьшение степени открытия клапана;
б) аналогового сигнала воздействие которого уравновешивается компенсационным механизмом который при ослаблении сигнала прикрывает а при усилении - приоткрывает регулирующий орган (заслонку клапана).
Потребляемая мощность электропривода составляет 400 Вт.
Передаточную функцию электропривода в общем виде можно представить как совокупность передаточных функций апериодического звена II порядка и интегрирующего звена I порядка. Передаточную функцию найдём из выражения (4.9) предварительно приведя её к общему виду:
Кдв = 24 угл.град(с×В) - коэффициент передачи электродвигателя;
- постоянные времени электродвигателя
(характеризуют его механическую и электрическую инерционность в совокупности).
Вычислим постоянные времени Т1 и Т2 используя разложение квадратного многочлена на множители:
Подставим полученные значения постоянных времени в выражение (4.10) представим передаточную функцию электродвигателя в числовом виде:
Передаточная функция заслонки трехходового клапана:
Кз – коэффициент передачи заслонки; Кз = 4 0Сугл.град (принята поправка на 025 0Сугл.град в сторону уменьшения).
Клапан трехходовой имеет достаточно простое устройство. Он представляет собой корпус имеющий два входных и одно выходное отверстие (рис.4.8):
Рис. 4.8 – Устройство трехходового клапана VXP45.20-4
В качестве регулирующего элемента в клапане обычно применяется шток (заслонка) специальной конструкции который может двигаться в вертикальном направлении. При этом регулирующий элемент не осуществляет полное перекрытие клапана а перераспределяет потоки жидкостей тем самым производя их смешивание.
Трехходовой клапан производит регулирование температуры жидкости в автоматическом режиме для чего он снабжен системой привода (рис. 4.7) которая в свою очередь получает сигналы от различных датчиков. Привод который устанавливается на трехходовой смесительный клапан может быть электрическим пневматическим гидравлическим и т.д. При этом наиболее широкое применение получил клапан трехходовой с электроприводом который может осуществлять весьма точную регулировку.
Клапан трехходовой с электроприводом может управляться от датчиков давления или температуры которые устанавливаются в соответствующих местах узлов обвязки.
Передаточная функция проводящего канала:
Wп(S) = Кп*е-t*S (4.11)
Кп – коэффициент передачи воздухопровода; Кп = 09;
t - время чистого запаздывания; t = 0009 с.
Передаточная функция датчика температуры:
Кт – чувствительность датчика температуры; Кт = 01 В0С;
Тт – постоянная времени; Тт = 005 с.
Передаточная функция усилителя (выполняет ПЛК): Wу(S) = Ку
Предъявим к проектируемой системе ряд требований: заданное значение температуры подготовленного воздуха qЗ° = 50 0С; величина перерегулирования s должна составлять не более 30 %; время регулирования определяющее быстродействие системы – не более 2 с; для расчетов – установившаяся ошибки по положению – отсутствует по скорости - E = 5 % при Uз = 24 Вс.
Найдем общий коэффициент передачи разомкнутой САР: общий коэффициент передачи системы может быть получен из условия:
где - абсолютная ошибка определяемая как:
где E% - установившаяся ошибка по скорости (в процентах).
Определим скорость изменения величины задающего воздействия используя:
Подставим выражения для скорости изменения величины задающего воздействия (4.17) и абсолютной ошибки (4.15) в (4.14) получим окончательное выражение для общего коэффициента передачи разомкнутой системы:
Е% = 5% - установившаяся ошибка по скорости при значении (Вс);
oC - заданное значение температуры пара.
Найдём общий коэффициент передачи разомкнутой системы автоматического регулирования:
Чтобы обеспечить систему некоторым запасом устойчивости выберем общий коэффициент передачи замкнутой САР Кобщ = 25 с-1.
Рассчитаем коэффициент передачи усилителя разомкнутой системы :
Ку - искомый коэффициент передачи усилителя разомкнутой САР;
Кобщ = 25 с -1- общий коэффициент передачи разомкнутой системы;
Кдв = 24 угл.градсВ – коэффициент передачи электропривода;
Кз = 4 0Cугл.град. - коэффициент передачи заслонки;
Кт = 01 В0C - коэффициент передачи термопары;
Кп = 09 - коэффициент передачи воздуховода.
Подставив данные значения коэффициентов передачи отдельных звеньев в (4.3.8) получим значение коэффициента передачи усилителя разомкнутой САР:
Найдем передаточную функцию разомкнутой системы:
где s – здесь и в дальнейшем - оператор Лапласа.
На основании (4.19) построим в программном комплексе ТАУ логарифмическую амплитудную (ЛАЧХ) и логарифмическую фазовую (ЛФЧХ) частотные характеристики разомкнутой системы:
Рис. 4.9 – ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы автоматического регулирования
На частотных характеристиках (рис. 4.9) видно что критическая частота крит = 069 Гц (фаза на ней равна -180о) достигается раньше частоты среза с = 321 Гц при которой модуль передаточной функции равен 1 значит данная система является неустойчивой (значение частоты среза больше значения частоты критической).
Получим передаточную функцию замкнутой системы: для этого упростим математическую модель САР представленную на рис. 4.6:
Рис. 4.10 – Упрощенная математическая модель САР температурой воздуха
Согласно упрощенной структурной схеме запишем передаточную функцию замкнутой системы управления относительно задающего воздействия:
Точность работы системы характеризуется установившимся значением ошибки. Значит целесообразно записать передаточную функцию замкнутой системы управления по ошибке относительно задающего воздействия:
Поясним обозначения в выражениях (4.20) (4.21):
Wзу(s) =Кзу - передаточная функция задающего устройства;
- передаточная функция разомкнутой системы;
- передаточная функция прямой цепи замкнутой системы;
- передаточная функция датчика температуры.
Подставим данные выражения в (4.20) получим выражение для передаточной функции замкнутой системы относительно задающего воздействия в общем виде:
Подставим данные выражения в (4.21) получим выражение для передаточной функции замкнутой системы по ошибке относительно задающего воздействия в общем виде:
На основании (4.22) и числовых значений параметров построим в программе ТАУ ЛАЧХ (логарифмическую амплитудную) и ЛФЧХ (логарифмическую фазовую) замкнутой системы (рис.4.11):
Рис. 4.11 - ЛАЧХ и ЛФЧХ замкнутой системы автоматического регулирования
Получим качественные характеристики системы построив ее переходный процесс (рис. 4.12).
Рис. 4.12 – Переходная характеристика замкнутой САР с качественными характеристиками
Очевидно что переходный процесс представленный на рис. 4.12 – расходящийся следовательно необходимо рассчитать для САР корректирующее устройство чтобы затем на основе его математической модели разработать алгоритм управления системой который отвечал бы поставленным техническим условиям. О неустойчивости существующей системы также свидетельствует оценка устойчивости согласно критерию Найквиста по частотным характеристикам разомкнутой ее составляющей: значение частоты среза больше критического значения частоты для данной системы.
Таким образом задача проектирования САР температуры приточного воздуха сводится к задаче синтеза системы управления с целью обеспечения желаемых характеристик.
Обычно корректирующее устройство включается в цепь регулятора тем самым изменяется передаточная функция регулятора. Наиболее часто применятся последовательное корректирующее устройство однако имеются также параллельное корректирующее устройство и корректирующие обратные связи. Последовательное корректирующее устройство достаточно просто рассчитывается и вводится в систему. Обычно оно представляет собой электронную схему на входе исполнительного механизма регулятора. Также данное корректирующее устройство может быть реализовано программно. Последовательное корректирующее устройство позволяет обеспечить предъявленные к системе требования по качеству переходного процесса и точности работы но не уменьшает чувствительность системы к изменению параметров элементов системы.
Рассчитаем последовательное корректирующее устройство с использованием программы ТАУ.
Наиболее часто для расчёта корректирующих устройств используется частотный метод синтеза с помощью логарифмических частотных характеристик. Он основан на том что логарифмическая амплитудная частотная характеристика (ЛАЧХ) разомкнутой системы однозначно определяется её передаточной функцией и наоборот. Следовательно на основе предъявленных к системе требований можно сформировать желаемый вид логарифмической амплитудной частотной характеристики а затем по неё сформировать требуемую передаточную функцию разомкнутой системы.
Процесс частотного синтеза системы представляет собой 2 этапа:
Построение располагаемой логарифмической амплитудной частотной характеристики разомкнутой системы.
Построение желаемой логарифмической амплитудной частотной характеристики разомкнутой системы.
Располагаемая ЛАЧХ (рис. 4.9) приведена в соответствии с выражением (4.19) и числовыми значениями параметров.
Желаемая логарифмическая амплитудная частотная характеристика может быть сформирована исходя из заданных требований к САР по точности и качеству переходного процесса. Точность определяется значениями установившихся ошибок а качество переходного процесса – величиной перерегулирования и временем регулирования – значением времени по истечении которого система начинает работать с заданной точностью.
Низкочастотная часть ЛАЧХ формируется из условия обеспечения требуемой точности системы в установившемся режиме. В нашем случае система имеет нулевую позиционную ошибку но имеет ошибку по скорости значит является системой отслеживающей линейно нарастающее входное воздействие.
Среднечастотный участок желаемой ЛАЧХ строится из условия обеспечения основных показателей качества переходного процесса - перерегулирования и времени регулирования. Требуемые показатели могут быть достигнуты если среднечастотный участок желаемой ЛАЧХ пересекает ось частот на частоте среза wс и имеет наклон –20 дбдек. Частоту среза wс и требуемые запасы устойчивости по амплитуде Lh и фазе m можно определить по номограмме Солодовникова исходя из заданных значений tр = 3 с и s% = 30%.
Среднечастотный участок желаемой ЛАЧХ сопрягается с низкочастотным отрезком ЛАЧХ имеющим наклон –40 дбдек или –60 дбдек. Рекомендуется выбирать наклон –60 дбдек.
Высокочастотный участок желаемой ЛАЧХ проводится параллельно высокочастотному участку располагаемой ЛАЧХ.
Построим располагаемую ЛАЧХ системы (рис. 4.13):
Рис. 4.13 – Располагаемая и желаемая (штрих.) ЛАЧХ САР температуры
Исходя из проведённого анализа участков желаемой ЛАЧХ построим желаемую ЛАЧХ системы:
Рис. 4.14 – Желаемая ЛАЧХ нескорректированной САР температуры
Для реализации качественных законов регулирования выберем последовательное корректирующее устройство (ПКУ). В этом случае желаемая передаточная функция разомкнутой системы примет вид:
WПКУ(s) - передаточная функция последовательного корректирующего устройства;
Wр(s) - передаточная функция располагаемой системы.
Логарифмическую амплитудную частотную характеристику желаемой системы можно найти как:
Выразим Lпку() из (4.23):
Получим передаточную функцию последовательного корректирующего устройства:
ТЖ1ТЖ2 ТЖ3 – постоянные времени желаемой системы
Т1=009 с – первая постоянная времени электродвигателя;
Т2=031 с – вторая постоянная времени электродвигателя;
ТТ=005 с – постоянная времени термопары.
Для того чтобы рассчитать значения желаемых постоянных времени ТЖ1ТЖ2 ТЖ3 и построить ЛАЧХ корректирующего устройства уточним передаточную функцию желаемой системы.
Для получения желаемой передаточной функции замкнутой системы относительно задающего воздействия воспользуемся выражением (4.20):
- передаточная функция прямой цепи
Wж(s) - желаемая передаточная функция разомкнутой системы ;
Подставив известные значения постоянных времени и коэффициентов передачи получим передаточную функцию желаемой замкнутой системы:
ТЖ1=2293 с ТЖ2=1086 с ТЖ3=0027 с ТТ = 005 с 25 с-1 t=0009 с;
Для построения переходного процесса в выражении (4.26) заменим e-ts на :
Представим переходную характеристику желаемой системы после коррекции (рис.4.15) и оценим показатели качества полученной САР:
Рис. 4.15 - Переходная характеристика скорректированной САР с показателям качества
Так как полученная величина перерегулирования определяющая устойчивость а также время регулирования определяющее быстродействие желаемой системы удовлетворяют условиям предъявляемым к проектируемой САР температуры приточного воздуха то можно выполнить переход к построению модели корректирующего устройства.
Проверим запасы устойчивости желаемой системы с последовательным корректирующим устройством характеризующие близость системы к границе устойчивости:
Запасы устойчивости системы
Запас устойчивости по амплитуде Lh=125 дБ запас устойчивости по фазе =51o.
Очевидно что система проектируемая система будет обладать хорошими запасами устойчивости по амплитуде и фазе.
Подставим числовые значения постоянных времени в (4.27) представим ЛАЧХ и ЛФЧХ последовательного корректирующего устройства (рис. 4.16):
Рис. 4.16 - ЛАЧХ и ЛФЧХ последовательного корректирующего устройства
Программная реализация корректирующего устройства предусматривает использование в своем составе импульсной системы – системы где как минимум одна из описываемых систему координат подвергается квантованию по времени. Квантованные по времени величины при помощи импульсной модуляции преобразуются в чередование импульсов. Таким образом импульсную систему для программной реализации целесообразно представить в виде комбинации импульсного элемента (осуществляет процесс квантования величины по времени с преобразованием её в последовательность импульсов) и непрерывной части составленной из типовых динамических звеньев (заданная система с включенным в нее ПКУ). Забегая вперед необходимо отметить что функцию сравнивающего устройства а также функцию последовательного корректирующего устройства будет выполнять программируемый логический контроллер марки WAGO IO SYSTEM.
Представим математическую модель САР с включенным на вход импульсным элементом (рис. 4.17):
Рис. 4.17 – Схема САР с включенным в нее импульсным элементом:
g - задающее воздействие; y1 – сигнал получаемый с импульсного элемента;
y - выходное воздействие; НЧ - непрерывная часть системы; ФЭ - формирующий элемент;
ПНЧ - приведенная непрерывная часть системы; WПКУ(s) - передаточная функция непрерывной части системы (последовательного корректирующего устройства)
Дискретную передаточную функцию WПКУ(z) последовательного корректирующего устройства целесообразно получить через передаточную функцию непрерывной части системы Wнч(S).
Выражение для дискретной передаточной функции разомкнутой импульсной системы представим в следующем виде:
- импульсная функция последовательной непрерывной части.
Для практического расчёта в целях упрощении рекомендуется представить передаточную функцию в виде следующего выражения:
В нашем случае импульсный элемент формирует последовательность прямоугольных импульсов длительностью где γ – величина скважности импульса). Тогда расчетное соотношение для дискретной передаточной функции разомкнутой импульсной системы примет вид:
Wнч(s) = W1(zs) - W1g(zs)
В рамках дипломного проекта используем импульсный элемент контроллера который генерирует прямоугольные импульсы длительность которых совпадает с периодом дискретности т. е. значение скважности γ = 1. Данный формирующий элемент носит название экстраполятора нулевого порядка или запоминающего элемента. Дискретная передаточная функция тогда примет вид:
Согласно (4.31) можно определить дискретную передаточную функцию WПКУ(z) корректирующего устройства учитывая что WНЧ(s) =WПКУ(s):
Представим переходную характеристику WПКУ(s) (рис. 4.18):
Рис. 4.18 – Переходная характеристика последовательного корректирующего устройства
Исходя из представленной переходной характеристики осуществим выбор частоты дискретизации: Т=0002с - период дискретности следовательно частота дискретизации f дискрет = 500 Гц.
Получим следующее выражение для дискретной передаточной функций:
Коэффициенты дискретной передаточной функции представлены в табл. 4.6. Для проверки правильности выбора частоты дискретизации приведем переходную характеристику дискретной передаточной функции последовательного корректирующего устройства WПКУ(z) (рис. 4.19).
Полученные в результате преобразований значения коэффициентов
Рис. 4.19 – Переходная характеристика дискретной передаточной функции ПКУ WПКУ(z)
При сравнении двух характеристик (рис. 4.18 4.19) видно что визуально они практически не отличаются что свидетельствует о верно выбранном значении периода а значит и частоты дискретизации.
Для удобства программной реализации последовательного корректирующего устройства целесообразно составить разностное уравнения по дискретной передаточной функции WПКУ(z). Для этого домножим числитель и знаменатель WПКУ (z) на z-n где n – максимальный порядок передаточной функции (в нашем случае n=5):
В результате домножения получим выражение для дискретной передаточной функции:
Представим выражение (4.34) в виде разностного уравнения:
Решением полученного разностного уравнения при нулевых начальных условиях y[n]f[n] для всех n0 будет решение вида:
Подставляя значения коэффициентов (табл. 4.6) найдём искомое выражение для y[n].
Таким образом необходимо и достаточно реализовать функцию регулирования согласно (4.36) которая бы по программе на ЭВМ (автоматизированное рабочее место оператора одно из направлений доработок проекта) осуществляла качественное регулирование температуры воздуха калорифера. Однако данная функция является нереализуемой на выбранном ПЛК так как нет поддержки механизмов очередей.
Так как высоких требований к точности регулирования температуры не предъявляется то целесообразно управлять электроприводом REGIN S24 через аналоговый вход подавая значения напряжения на перемещение позиции заслонки в клапане. Тогда диапазон движения заслонки будет напрямую зависеть от подаваемого уровня напряжения или другими словами позиция заслонки будет определяться внесенными настройками. Воспользуемся регулированием по принципу балансировки.
Исходя из технического паспорта на электропривод REGIN S24 получим таблицу данных для качественного процесса регулирования температуры воздуха. Максимальное значение напряжения подаваемое на аналоговый вход электропривода – 24 В. Подобный процесс регулирования был промоделирован в данном пункте он является устойчивым и отвечает требованиям качества переходного процесса в системе.
Таким образом приведем таблицу соответствия значений входного напряжения и позиций перемещения заслонки. Данные расчетов необходимые для разработки управляющей программы ПЛК приведены в табл. 4.7. В итоге получим электропривод управляемый пропорциональным регулятором (балансирование) функции которого – формировать определенный уровень напряжения в зависимости от сравнения текущей температуры воздуха в паропроводе со значением температуры уставки будет выполнять выбранный ПЛК. Коэффициент передачи регулятора рассчитаем по формуле (4.37):
Шаг изменения положения – на каждый 1 Вольт поданного напряжения от ПЛК заслонка меняет положение на 375 угл. градуса.
Данные для качественного регулирования температуры воздуха
Данные из табл. 4.7 необходимы для написания управляющей программы САР температурой приточного воздуха. Полужирным шрифтом в таблице выделен режим защиты калорифера от переохлаждения – уровень клапана открыт на 25% во время простоя системы в зимний период. В летний период работы клапан будет закрыт и зафиксирован подачей дискретного импульса «закрыт». При этом необходимо будет программно связать управление электродвигателем в аварийных режимах работы – перегрев и переохлаждение калорифера.
4.Общая модель САУ приточной вентиляции по процессу подготовки температуры воздуха
Таким образом в соответствии с рассмотренными в предыдущих пунктах устройствами автоматизации принципами их управления и регулирования можно составить тактовую циклограмму процесса вентилирования помещений в разных ситуациях. Циклограмма последовательности работы механизмов и узлов оборудования входящего в состав системы является практически алгоритмом ее работы и служит исходной информацией для создания системы управления всем участком вентиляции. Следует отметить отсутствие необходимости включать в циклограмму все механизмы комплекса т.к. многие группы механизмов управляются самостоятельно от своих систем управления. Такт здесь – это отдельное действие механизма связанное с изменением его положения или состояния. Циклограмма работы системы приточно-вытяжной вентиляции в ряде ситуаций приведена в приложении В. На ней отображены устройства каналов приточной и вытяжной системы в том числе и калориферная установка.
Разработку математической модели переходных процессов в наиболее простом варианте начнем с описания процессов происходящих в приточной вентиляционной системе обслуживающей некоторое помещение. Теплообменник регулируется по сигналу от датчика температуры воздуха находящегося в этом помещении и реагирующего на ее отклонение от заданной установки. Следовательно контур регулирования является замкнутым. При этом предусматривается качественно-качественный способ регулирования т.е. колебания теплопоступлений и теплопотерь в помещении устраняются за счет изменения температуры приточного воздуха при постоянном его расходе. В свою очередь температура притока изменяется вследствие подмешивания того или иного количества охлажденной воды из обратного трубопровода через трехходовой клапан к горячей воде поступающей в теплообменник также при постоянном общем ее расходе.
Структурная схема САУ для системы обеспечения микроклимата в помещении представлена на рис. 4.28. При ее построении учтено что в силу принятого способа регулирования входным параметром для помещения выбранного в качестве объекта регулирования являются переменные теплопоступления или теплопотери Q Вт а выходным – температура воздуха в помещении tв °C. Собственно САУ вместе с системой вентиляции в этом случае играют роль отрицательной обратной связи для помещения по каналу «Q – tв».
Рис. 4.28 – Структурная схема приточной ветви САУ ПВВ: Wрег – передаточная функция регулятора; Wио – передаточная функция исполнительного органа (трехходовой кран с электроприводом); WTO – передаточная функция технического объекта (трубопровод); WП – передаточная функция помещения; WД – передаточная функция датчика; группа блоков находящихся в обратной связи рассчитана в п.4.3; U1 U6 обозначают сигналы после промежуточных звеньев системы
Тогда математическая модель переходного процесса в САУ будет иметь вид:
В соответствии с ранее данным определением и схемой САУ приведенной на рис. 4.28 по физическому смыслу Wсист здесь представляет изменение температуры tв с течением времени при единичном тепловом воздействии т.е. при Q = 1 Вт.
Следовательно размерность Wсист должна быть [КВт]. Тогда передаточная функция САУ при использовании позиционного регулятора в линейном варианте будет выглядеть следующим образом:
р – некоторый комплексный параметр имеющий размерность с-1.
Выражение (4.39) представляет переходный процесс в виде изображения получаемого из переходной функции-оригинала с помощью интегрального преобразования Лапласа.
Рекомендуется получать значение оригинала переходной функции используя приближенное аналитическое моделирование. Его сущность заключается в формальной замене оператора р на 1 где – время с момента воздействия на систему с. Такая замена базируется на соображениях вытекающих из анализа размерностей. Как показывают расчеты на простейших примерах данный прием позволяет достаточно точно определить характер поведения переходной функции применяя несложный математический аппарат. Погрешность вычисления максимального отклонения при этом не превышает 15 20% что вполне достаточно для инженерных расчетов.
Подставим известные передаточные функции полученные в п.4.3 в выражение (4.38) смоделируем процесс регулирования температуры воздуха в помещении при этом пренебрежем величиной теплопотерь Q. Процесс моделирования проведем для ряда выбранных значений входных напряжений из табл. 4.3.4 и коэффициента передачи пропорционального регулятора kp=375 (угл. градВ) в программе VisSim (рис. 4.29 – 4.30). Так как диапазоны регулирования и значение коэффициента передачи малы то это не приведет к сильному ухудшению качества работы системы. Чем больше выбран пропорциональный диапазон регулирования тем большей будет величина статистической ошибки. При малой величине пропорционального диапазона увеличивается время переходных процессов и при некоторых условиях может возникнуть автоколебательный (незатухающий) процесс в контуре регулирования.
Передаточную функцию помещения без учета его динамического сопротивления рекомендуется принять за:
Здесь V – объем помещения м3; c=1005 Дж(кг_К) и ρ=1225 кгм3 – соответственно удельная теплоемкость и плотность внутреннего воздуха.
Если учитывать динамическое сопротивление помещения то его модель значительно усложнится и станет зависимой от таких параметров как например теплопотери Q. Но это принципиально для небольших помещений с низкими потолками а для высоких объемных помещений может быть использована принятая (4.40) модель. Иначе динамический характер без соответствующей термодинамической модели распределения тепловых потоков несет за собой огромные погрешности вычислений.
Таким образом подставив числовые значения объявленных величин рассчитаем что значение начального коэффициента равно: 1354*10-9 ДжК.
Модель САУ ПВВ по регулированию температуры воздуха калорифера выполненная в среде моделирования VisSim v6.0 приведена в приложении Г.
Рис. 4.29– Переходный процесс приточной ветви САУ ПВВ по регулированию
температуры при Uвх=6 В и kp=375 угл. градВ
(перерегулирование – 31 % время регулирования – 153 с)
Как видно из графика переходного процесса (рис. 4.29) требования к качеству работы системы выполняются при небольших значениях входного напряжения САР температуры воздуха относительно регулирования по положению заслонки работает с заданной точностью.
Как видно из графика переходного процесса (рис. 4.30) регулирование посредством изменения управляющего напряжения удовлетворяет качественным требованиям переходного процесса при самом большом значении входного напряжения 24 В (заслонка полностью открыта) качественные показатели хуже чем при регулировании с применением программно реализованной функции ПКУ однако можно сделать вывод о возможности применения предложенного способа регулирования. Также видно что у системы появилась установившаяся ошибка – следствие использования принципа пропорционального регулирования впрочем находящаяся в допустимом коридоре точности – 5% а также склонность к автоколебательному процессу.
Рис. 4.30– Переходный процесс приточной ветви САУ ПВВ по регулированию
температуры при Uвх=24 В и kp=375 угл. градВ
(перерегулирование – 39% время регулирования – 185 с)
Таким образом по итогам описания технических средств автоматизации входящих в состав САУ ПВВ а также составления их математических моделей и режимов и параметров для управления ими определения значений констант можно приступать к разработке управляющей программы ПЛК.
Обоснование выбора управляющего ПЛК
Центральным звеном проектируемой системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов и помещений является управляющий элемент – программируемый логический контроллер (ПЛК) фирмы WAGO серии IO System. Данный контроллер предназначен для удаленного сбора данных на основе различных промышленных сетей. Критериями выбора данного контроллера выступают:
- возможность приниматьпередавать дискретные аналоговые числоимпульсные сигналы а также обмениваться данными с различными специальными устройствами;
- высокое быстродействие и достаточный для хранения управляющей программы и данных объем памяти;
- большое количество информационных каналов позволяющих без наращивания модулей контроллера охватить все решаемые в дипломном проектировании задачи;
- простота программирования и отладки управляющей программы микроконтроллера поддержка стандартных языков программирования;
- высокая степень защиты от помех пыли влаги короткого замыкания скачков напряжения.
Всеми поставленными требованиями выбранный ПЛК обладает. Идеология WAGO IO основана на предоставлении разработчику максимальных возможностей в конфигурировании наращивании и обслуживании системы.
Подключение к различным промышленным сетям осуществляется путем применения соответствующих базовых контроллеров при этом состав модулей вводавывода может оставаться неизменным.
С другой стороны пользователю предоставлена возможность максимально гибко изменять состав каналов вводавывода за счет использования модулей рассчитанных на подключение 4-х 2-х или одного канала вводавывода. Это дает значительную экономию средств по сравнению с традиционными ПЛК имеющими как правило модули рассчитанные на 168 каналов вводавывода за счет уменьшения избыточности системы.
В WAGO IO отсутствует традиционное для практически всех PLC объединительное шасси. Механическим соединителем для отдельных модулей вводавывода является стандартный монтажный DIN-рельс а электрическим — надежные лепестковые контакты внутренней шины.
Состав выбранного логического контроллера представлен на рис. 5.1.
Контроллер может выполнять некий управляющий алгоритм на основании которого он и управляет состоянием своих выходных модулей напрямую без участия компьютера верхнего уровня. Программирование таких контроллеров осуществляется с помощью стандартного технологического языка программирования WAGO IO PRO32 стандарта МЭК 61131.3.
Рис. 5.1 – Элементы ПЛК WAGO IO System
Основные технические характеристики программируемых контроллеров WAGO IO приведены в табл. 5.1.
Технические характеристики ПЛК WAGO IO
Объём памяти программ
Максимальное число программных инструкций
Количество одновременно выполняемых программ
Гарантированное время цикла исполнения программы
около 3 мс для программы
из 1000 инструкций (включая время обмена с модулями вводавывода)
Система программирования
WAGO IO PRO32 в стандарте МЭК 61131.3
Поддерживаемые языки программирования:
Function Block Diagram (FBD)
Structured Function Chart (SFC)
Instruction List (IL)
Structured Text (ST)
Требования по питанию
Диапазон рабочих температур
Суточная потребляемая мощность
Модули вводавывода обеспечивают сопряжение внешних сигналов с внутренней шиной. Модули позволяют подключать датчики и исполнительные устройства а также содержат цепи гальванической развязки и индикаторы состояния каналов. Различаются несколько основных групп модулей вводавывода:
- модули ввода дискретных сигналов: маркируются желтым цветом. Позволяют подключать любые дискретные датчики с рабочим напряжением 24 48 220 по 2- 3- и 4-хпроводной схеме. В зависимости от типа модули поставляются в 2- 4- и 8-миканальном исполнении содержат входной шумоподавляющий фильтр и работать с сигналами как положительной так и отрицательной логики. К модулям данного типа принято также относить и частотные модули (одноканальные) которые обеспечивают подсчет событий или измерение частоты сигналов формируемых датчиками хотя с точки зрения программиста (а также всех стандартных программ конфигурации) он больше похож на модуль аналогового ввода так как возвращает не один бит данных а целое слово;
- модули вывода дискретных сигналов: маркируются красным цветом. Обеспечивают подключение исполнительных механизмов с рабочим напряжением 24 или 220 В. Выходные модули ШИМ (двухканальные) формирующие широтно-импульсный сигнал для пропорционального управления исполнительными механизмами также относятся к данной подгруппе хотя программно конфигурируются так же как модули ЦАП;
- модули ввода аналоговых сигналов: маркируются зеленым цветом. Обеспечивают прием сигналов с аналоговых датчиков имеющих стандартные уровни выходных сигналов: 0 20 мА 4 20 мА 0 10 В ±10 В. Модули поставляются в 2-х и 4-хканальном исполнении;
- модули вывода аналоговых сигналов: маркируются синим цветом. Обеспечивают пропорциональное управление исполнительными механизмами и формируют сигналы 0 20 мА 4 20 мА 0 10 В 0 24 В ±10 В. Модули поставляются только в 2-х и 4-хканальном исполнении.
- оконечный терминальный модуль: замыкает линию адреса внутренней шины. Данный модуль должен быть обязательно установлен в собранный узел WAGO IO с противоположной стороны от базового контроллера узла сети;
- модули подключения линий питания: обеспечивают подачу необходимых напряжений питания на логические и периферийные части модулей вводавывода. Содержат в себе цепи фильтрации предохранители и светодиодные индикаторы состояния а также встроенные источники питания.
Данные модули позволяют создавать большие распределенные системы сбора данных и управления на базе контроллеров WAGO IO.
Выбранный ПЛК WAGO IO System представлен на рис. 5.2.
Рис. 5.2 – ПЛК WAGO IO System
Разрабатываемая система автоматического управления приточно-вытяжной вентиляционной установкой подобна уже разработанным устройствам основное отличие в том что система была разработана на новом свободно программируемом контроллере пятого поколения WAGO IO System 750.
Можно отметить основные принципиальные отличия разрабатываемой системы от традиционно используемых на большинстве российских предприятий:
- применение свободно программируемого контролера позволяет осуществить управление вентиляционной установкой в автоматическом режиме отсюда следует что заданные параметры например поддержание установленной температуры в производственных помещениях будут поддерживаться значительно точнее чем при ручном управлении;
- применение свободно программируемого контролера позволяет в любой момент подключить новые системы добавив модули расширения или изменить работу системы по требованию заказчика;
- использование в системе контроллера WAGO IO позволяет вводить аналогичные системы объединение их в единую систему и ввести диспетчеризацию по шине F
- применение автоматического управления позволяет не держать в штате предприятия лиц ответственных за поддержание комфортных условий для работников. Следовательно уменьшаются эксплуатационные расходы и производственный риск связанный с человеческим фактором;
- на комплектующие изделия вновь создаваемого устройства предприятие изготовитель даёт значительно больший гарантийный срок.
Система обеспечивает защиту технического персонала от поражения электрическим током (защитное зануление реле отключения изоляция проводки) а также является устойчивой к агрессивной среде производственных цехов.
В ходе выполнения проекта были разработаны:
- принципиальная функциональная схема автоматизации со спецификацией;
- коммутационная программа контроллера;
- таблица внешних соединений;
- блок-алгоритмы функционирования системы (в т.ч. и в аварийных режимах);
- тактовая циклограмма работы САУ ПВВ;
- алгоритмы реагирования системы на сигнал от ППС в т.ч. разработка защиты системы вытяжной вентиляции от возгораний.
Выбраны датчики исполнительные механизмы регулирующий клапан и устройства защиты.
Список использованных источников
ГОСТ Р 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. – Введ. 10.09.98. – М.: Госстандарт России 2001. – 50 с.
Строительные нормы и правила : СНиП 2.04.05-91*. Отопление вентиляция и кондиционирование. – Введ. 04.08.91. – М.: Стройиздат 2008. – 72 с.
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха Е.С. Бондарь Б.К. Пажин С.В. Троегубов и др.; под ред. Е.С. Бондаря. - К.: «Аванпост-Прим» 2005. – 816 с.
Востриков А.С. Теория автоматического регулирования: учебник для вузов А.С. Востриков Г.А. Французова.: под общ. ред. А.С. Вострикова. – М.: Высшая школа 2004.- 365 с.:ил.
Олссон Г. Цифровые системы автоматизации и управления: издание третье переработанное и дополненное Г. Олссон Дж. Пиани.: СПб.: Невский диалект 2001. – 520 с.: ил.
Зедгенизов Д.В. Формирование алгоритмов управления воздухораспределением в вентиляционных сетях Д.В. Зедгенизов ИГД СО РАН. Изв. вузов. - Автоматизация. – 2010.- №7 – С.55-62
Лугин И.В. Разработка режимов работы вентиляции для повышения температуры воздуха в зимний период на тупиковой станции метрополитена мелкого заложения И.В. Лугин А.М. Красюк Изв. вузов. Строительство. Новосибирск. –2004. – №10. – С.53 – 60.
Петров Н.Н. Исследование на АЦВК и в натурных условиях переходных процессов и частотных свойств вентиляционных систем перегонов получение математического описания: учеб. пособие Н.Н. Петров С.В. Севостьянов: под общ. ред. С.В. Севостьянова. – М.: Ренессанс. – 2007. – 115 с.: ил.
Седельников Ф. И. Безопасность жизнедеятельности (охрана труда): учеб. пособие (электронная версия) – Вологда 2001.
Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов А. Б. Сергиенко – СПб.: Питер 2003. – 604с.: ил.
Тюкин В.Н. Теория управления: Конспект лекций. Часть 1. Обыкновенные линейные системы управления В.Н. Тюкин. - Вологда: ВоГТУ 2000. - 200 с.: ил.
Ушаков А.Л. Вентиляция и кондиционирования производственных помещений: учеб. пособие А.Л. Ушаков П.В. Чащин. – М.: АСТ-ПРЕСС 2011. – 300 с.:ил.
Чарушев А.В. Автоматизация процессов жизнеобеспечения производства А.В. Чарушев Ю.Л. Мартынов – СПб.: Питер 2010. – 320 с.: ил.
Юрлов С.П. Нестандартные подходы к реализации процессов управления вентиляционными установками: учебник для вузов С.П. Юрлов. – СПб.: Питер 2011. – 150 с.: ил.
Постановка задач курсового проектирования: техническое предложение
Тактовая циклограмма работы САУ ПВВ
Математическая модель САР температуры воздуха калорифера по обслуживаемому помещению в среде VisSim v6.0
Принципиальная функциональная схема автоматизации ПВВ
Пояснительная таблица к принципиальной функциональной схеме автоматизации
Используемые датчики и исполнительные механизмы схемы автоматизации ПВВ
Датчик наружной температуры Siemens QAC2010
Электропривод шибера приточнойвытяжной секции
по кол-ву вент. каналов
Датчик положения DM9NVL шибера приточнойвытяжной секций
Датчик перепада давлений воздуха Siemens QBM81.5 фильтров
Электропривод управления запорно-регулирующим клапаном (ЗРК) Regin S24 калорифера
Пускатель электропривода ЗРК Regin S24
Датчик температуры термостата защиты от замерзания Siemens QAF81.3
Электропривод вытяжного вентилятора
Электропривод приточного вентилятора ВЦ-4-76-16
Датчики перепада давлений воздуха
Siemens QBM81.5 вентиляторов
по кол-ву вентиляторов
Канальный датчик температуры
датчик – монтаж в приточный канал 7 датчиков – монтаж в вытяжные зонты
Щит противопожарной сигнализации Сокол ПС 2.41-5
Датчики-газоанализаторы и датчики пыли
газоанализаторы TGS2445 – 7датчики пыли Sharp GP2Y – 4 шт.
Запорно-регулирующий (трехходовой) клапан VXP45.20-4 калорифера

Доклад.doc

Уважаемые члены аттестационной комиссии представляю вашему вниманию выпускную квалификационную работу цель которой – разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов.
Известно что автоматизация – один из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве роста качества продукции и услуг. Постоянное расширение сферы автоматизации является одной из главных особенностей промышленности на данном этапе. Разрабатываемый дипломный проект является одной из идей наследования развивающейся концепции построения «интеллектуальных» зданий то есть объектов в которых условия жизнедеятельности человека контролируются техническими средствами.
Проблема рассматриваемая в дипломном проекте обусловлена моральным и техническим устареванием (износом) существующей системы управления ПВВ. Распределенный принцип примененный при построении ПВВ исключает возможность централизованного управления (запуска и мониторинга состояния). Отсутствие четкого алгоритма пускаостанова системы также делает систему ненадежной вследствие человеческих ошибок а отсутствие аварийных режимов работы – неустойчивой по отношению к решаемым задачам.
Актуальность проблемы дипломного проектирования обусловлена общим ростом заболеваемости дыхательных путей и простудных заболеваний рабочих общим падением производительности труда и качества выпускаемой продукции на данном участке. Разработка новой САУ ПВВ напрямую связана с политикой завода в области качества (ISO 9000) а также с программами модернизации заводского оборудования и автоматизации систем жизнеобеспечения цехов.
Центральным управляющим элементом системы является шкаф автоматики с микроконтроллером и аппаратурой выбранный по результатам маркетингового исследования (плакат 1). Существует множество рыночных предложений однако выбранное оборудование является как минимум не хуже своих аналогов. Немаловажным критерием выступала и стоимость энергопотребление и защитное исполнение оборудования.
Функциональная схема автоматизации ПВВ приведена на чертеже 1. В качестве основного при проектировании САУ выбран централизованный подход позволяющий мобильно привести систему в случае необходимости к реализации согласно смешанному подходу подразумевающему возможность диспетчеризации и связей с другими промышленными сетями. Централизованный подход является хорошо масштабируемым достаточно гибким – все эти качественные свойства определяются выбранным микроконтроллером – WAGO IO System а также реализацией управляющей программы.
В ходе проектирования были выбраны элементы автоматизации – исполнительные механизмы датчики критерием выбора выступали функциональность устойчивость работы в критических режимах диапазон измеренияконтроля параметра особенности монтажа форма выдачи сигнала режимы работы. Выбраны главные математические модели и промоделирована работа системы регулирования температуры воздуха с управлением положением заслонки трехходового клапана. Моделирование проводилось в среде VisSim.
Для регулирования был выбран метод «балансировки параметра» в области контролируемых значений. В качестве закона регулирования выбран пропорциональный так как не предъявляется высоких требований к точности и быстродействию системы а диапазоны изменения входнойвыходной величин небольшие. Функции регулятора выполняет один из портов контроллера в соответствии с управляющей программой. Результаты моделирования данного блока представлены на плакате 2.
Алгоритм работы системы представлен на чертеже 2. Реализующая данный алгоритм управляющая программа по структуре состоит из функциональных блоков блока констант используются стандартные и специализированные функции. Гибкость и масштабируемость системы обеспечивается как программно (использование ФБ констант меток и переходовкомпактность программы в памяти контроллера) так и технически (экономное использование портов вводавывода резервные порты).
Программно предусмотрены действия системы в аварийных режимах (перегрев поломка вентилятора. переохлаждение засорение фильтра. пожар). Алгоритм действия системы в режиме противопожарной защиты представлен на чертеже 3. Данный алгоритм учитывает требования стандартов по времени эвакуации и действиях ПВВ при пожаре. В целом применение данного алгоритма эффективно и доказано испытаниями. Также была решена задача модернизации вытяжных зонтов в плане пожаробезопасности. Найденные решения были рассмотрены и приняты как рекомендательные.
Надежность спроектированной системы целиком зависит от надежности программного обеспечения и от контроллера в целом. Разработанная управляющая программа была подвергнута процессу отладки ручному структурному и функциональному тестированию. Для обеспечения надежности и соблюдения условий гарантии на оборудование автоматизации выбирались только рекомендованные и сертифицированные агрегаты. Гарантия производителя на выбранный шкаф автоматики при условии соблюдений гарантийных обязательств – 5 лет.
Также была разработана обобщенная структура системы построена тактовая циклограмма работы системы сформирована таблица соединений и маркировка кабелей схема монтажа САУ.
Экономические показатели проекта рассчитанные мной в организационно-экономической части изображены на плакате №3. На этом же плакате отображен ленточный график процесса проектирования. Для оценки качества управляющей программы использовались критерии согласно ГОСТ РИСОМЭК 926-93. Оценка экономической эффективности разработки выполнялась с помощью SWOT-анализа. Очевидно что проектируемая система обладает невысокой себестоимостью (структура затрат – плакат 3) и достаточно быстрыми сроками окупаемости (при расчетах с использованием минимальных величин экономии). Таким образом можно заключить о высокой экономической эффективности разработки.
Кроме того были решены вопросы охраны труда обеспечения электробезопасности и экологичности системы. Обоснован выбор токопроводящих кабелей фильтров воздуховодов.
Таким образом в результате выполнения дипломной работы разработан проект модернизации оптимальный по отношению ко всем поставленным требованиям. Данный проект рекомендован к внедрению согласно срокам модернизации заводского оборудования.
Если экономичность и качество проекта будут подтверждены испытательным сроком планируется реализация диспетчерского уровня с использованием локальной сети предприятия а также модернизация вентиляции остальных производственных помещений с целью объединения их в единую промышленную сеть. Соответственно к данным этапам относится разработка программного обеспечения диспетчера ведение журналов состояния системы ошибок аварий (БД) организация АРМ или контрольного поста управления (КПУ) Возможно распространение проектных решений для решения задач управления воздушно-тепловыми завесами цехов. Также возможна отработка слабых мест существующей системы таких как модернизация очистных агрегатов а также доработка воздухозаборных клапанов механизмом от замерзания.