Курсовая работа: Автоматическая система управления приточно-вытяжной вентиляции

4. Выбор принципиальных технических решений

Способ реализация функций управления в системах автоматики обычно определяется общим уровнем развития элементной базы. До 90-х годов прошлого столетия в промышленности (в том числе и в СКВ) доминировал принцип «аппарат-функция». Его суть заключалась в том, что конкретную функцию в локальных системах автоматики реализовало конкретное устройство, выполненное, как правило, на базе релейно-контакторной аппаратуры. Реализация более сложных систем управления по такому принципу построения в настоящее время практически не осуществляется. Современные САУ в качестве средств управления используют, как правило, электронные цифровые устройства на базе микропроцессоров. По своим техническим возможностям эти устройства позволяют обеспечить управление множеством параметров.

Аналогом разрабатываемой системе автоматизации кондиционирования и вентиляции воздуха может служить вентиляционная установка Marta фирмы 2VV. Компактная приточная установка данной фирмы всасывает свежий воздух из окружающей среды и циркуляционный воздух из проветриваемого помещения. Количество циркуляционного воздуха можно установить в пределах 0-100%. Кроме того, воздух нагревается и фильтруется. Двухступенчатое фильтрование обеспечивает не только захват частиц, рассеянных в воздухе, но также частично улавливает запах. Обработанный воздух выдувается в помещение. Компактная приточная установка Marta является компактной вентиляционной установкой с пластмассовой дизайновой крышкой и коробкой из листовой стали. В задней части компактной приточной установки находится всасывающий патрубок для свежего воздуха, а в нижней - решетка для рециркуляционного воздуха. Соотношение перемешивания можно регулировать с помощью механического смесительного клапана.

Установка снабжена центробежным вентилятором с отводом прямого действия, электрическим нагревателем, углеродным фильтром и складчатым фильтром. Воздух из установки поступает прямо в помещение через продувочную решетку.

Разрабатываемая же система автоматизации при всем прочем позволяет:

-  повысить точность поддержания регулирующих параметров и надежность работы системы;

-  уменьшить габариты средств управления;

-  упростить монтаж и сократить сроки его выполнения;

-  облегчить эксплуатацию системы.

В ряде случаев, за счет перечисленных достоинств, можно уменьшить фактическую стоимость средства автоматики с учетом капитальных и эксплуатационных затрат.

5. Разработка технического задания на создание системы автоматизации

В системе имеется один контур регулирования и контролируется два параметра: разность давления в воздуховоде на входе и выходе из фильтра, а также температура наружного воздуха вокруг водяного калорифера.

Таблица 1 – Задание на создание системы автоматизации

6. Математическое описание объекта регулирования

При создании и внедрении САР вентиляции и кондиционирования воздуха необходимо знать характеристики, как определенных элементов СКВ, так и системы в целом, которые описывают их поведение в переходных и установившихся режимах. Только по таким характеристикам можно оптимально выбрать регулятор, датчики, исполнительные механизмы, построить САР и произвести ее наладку.

Наиболее широко используются методы математического описания САР на основе передаточных функций W(p), которые отражают взаимосвязь входных и выходных параметров отдельных элементов и всей системы [1].

Обобщенную структурную схему САР можно представить в виде, показанном на рисунке 3:

Рисунок 3 – Обобщенная структурная схема САР

Датчики параметров воздуха и тепловлагоносителей можно рассматривать как апериодическое звено первого порядка. Их инерционность (постоянная времени) зависит от конструкции и массы чувствительного элемента. Еще в более сильной степени инерционность зависит от скорости воздуха. При неподвижном воздухе постоянная времени датчиков достигает десятков минут и для помещений может оказаться самой большой постоянной среди звеньев объекта. Поэтому с целью снижения инерционности применяют локальное повышение скорости воздуха вблизи датчика, установку датчиков в приточном или рециркуляционном воздухопроводах и другие приемы.

Регуляторы расхода (клапаны) изменяют расход воздуха Gв или воды Gw при повороте створок на угол α или перемещении плунжера h. При мгновенном изменении α или h расход воздуха или воды также меняется мгновенно. Поэтому клапаны являются обычными усилительными звеньями, в которых входная и выходная величины связаны коэффициентом передачи. Для воздушного клапана , где  – сечение клапана. Для водяного клапана при данном диаметре клапана и типе плунжера . Функции  и  обычно нелинейны, и коэффициенты передачи при разных положениях α или h могут меняться значительно, если клапаны поставлены без расчета.

Основным элементом CКВ является обслуживаемое помещение (ОП), в котором постоянно совершается переход воздуха из одного состояния в другое. Для поддержания заданных параметров в обслуживаемое помещение подается приточный воздух с параметрами, отличными от параметров внутри помещения. Перемешиваясь с внутренним воздухом и вытесняя его, приточный воздух ассимилирует избыточное тепло и влагу или подогревает и увлажняет воздух помещения.

Обслуживаемое помещение характеризуется рассредоточенными показателями воздуха. Учет рассредоточенных характеристик затруднен, поэтому помещение при решении задач автоматического регулирования рассматривается как объект с сосредоточенными параметрами, т. е. температура и влажность воздуха определяются в наиболее типичной (рабочей) зоне. Именно в такой зоне должны быть установлены датчики регулируемых параметров.

Рисунок 4 – Обобщенная функциональная модель обслуживаемого помещения как объекта регулирования

На функциональной схеме обслуживаемого помещения (рисунок 4) выделены внешние возмущающие воздействия (тепловая Qн, влажностная Wн и аэродинамическая Gн нагрузки) и внутренние (тепловая Qпом, влажностная Wпом и газовая Спом нагрузки). Входными параметрами являются: температура tпр, влажность dпр и расход подаваемого в помещение воздуха Gпр, и соответственно регулируемыми: tпом, dпом и Спом. В системах комфортного кондиционирования для стабилизации заданного состояния воздуха, т. е. двух независимых переменных tпом и dпом можно использовать, в общем случае, три управляющие воздействия: tпр, dпр и Gпр. Особенности применения каждого определяются исходными условиями, ограничениями, накладываемыми на систему, а также экономическими соображениями.

Обычно в кондиционируемых помещениях переменна тепловая нагрузка, влажностная – относительно постоянна, а газовая – требует некоторого минимального расхода наружного воздуха.

Для такого объекта возможны три вида систем стабилизации температуры: с постоянным или переменным расходом воздуха и смешанные.

Управление температурой помещения с помощью изменения расходов приточного и удаляемого воздуха (количественное регулирование), несмотря на преимущества, связанные с экономией теплоты, воды и электроэнергии, уменьшении мгновенных и годовых расходов, реализуется редко. Это связано с относительно высокими капитальными затратами и сложностью управления, особенно многозональных систем. Поэтому, наиболее распространенными являются системы стабилизации температуры в помещении по каналу изменения температуры приточного воздуха (качественное управление). Такие системы наиболее полно исследованы как объекты автоматизации: выведены аналитически и экспериментально подтверждены передаточные функции, значения коэффициентов передач и постоянных времени.

Динамические свойства помещения зависят от кратности воздухообмена Кв, обобщенного размера помещения lV (отношение объема помещения Vпом к площади поверхности ограждений F), коэффициентов теплопередачи ограждений Когр и постоянной времени ограждения Тогр. Аналитически передаточная функция по каналу температуры приточного воздуха получена в виде

              ,            (1)

где Kпом и Тогр могут быть определены по показателям Кв, lV, Когр,

  теплопроводности св и плотности ρв воздуха [2];

  Тпом – постоянная времени помещения – может быть определена как  

  Тпом ≈Кв-1.

1 – эксперимент; 2 – расчет

Рисунок 5 – Процесс изменения температуры в помещении

Анализ кривых переходного процесса, построенных на основании приведенной передаточной функции и экспериментальных данных, показывает, что процесс изменения температуры в помещении имеет два явно выраженных участка (рисунок 5). На первом (А) – процесс изменения температуры происходит быстро, скорость изменения температуры при этом зависит от кратности воздухообмена Кв. По литературным данным этот отрезок времени составляет (3–4)Кв-1. По мере поглощения теплоты ограждением и оборудованием скорость изменения температуры воздуха замедляется (участок В), проявляется инерционность ограждений (Тогр может составлять порядка десятка часов). Поэтому, теоретический конец переходного процесса достигается через несколько суток.

Учитывая, что для помещений характерны периоды изменения составляющих тепловой нагрузки от нескольких минут до часов, в задачах с такими периодами колебаний можно пренебречь инерционностью ограждений и представить помещение апериодическим звеном первого порядка с передаточной функцией

             .              (2)

Рисунок 6

По экспериментальной кривой разгона (рисунок 6) определяем параметры объекта регулирования: коэффициент теплопередачи помещения Кпом=0,88 и постоянной времени помещения Тпом=125 секунд. Запишем передаточную функцию, подставив в формулу 2 численные значения:

                         (3)

7. Выбор и расчет регулятора

Задача выбора закона управления и типа регулятора состоит в следующем: необходимо выбрать такой тип регулятора, который при минимальной стоимости и максимальной надежности обеспечивал бы заданное качество регулирования. Могут быть выбраны релейные, непрерывные или дискретные (цифровые) типы регуляторов.

В качестве непрерывных регуляторов предполагается использовать регуляторы, реализующие И, П, ПИ, ПД и ПИД - законы управления. Теоретически, с усложнением закона регулирования качество работы системы улучшается.

Реализация П-регулятора требует применения регулируемого усилительного элемента (механического, пневматического, электрического и т. п.), который может функционировать как с привлечением добавочного источника энергии, так и без него. Последняя разновидность П-регуляторов называется регуляторами прямого действия. Примером регулятора прямого действия в СКВ является – терморегулирующий вентиль (ТРВ), предназначенный для регулировки количества хладагента, подаваемого в испаритель, в зависимости от температуры перегретого пара на выходе испарителя. Изменение Кп (настройка ТРВ) производится с помощью вращения регулировочного винта. Другой разновидностью П-регуляторов являются позиционные регуляторы, которые реализуют пропорциональный закон регулирования при Кп, стремящемся к бесконечности 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 Δε.

В технике автоматизации систем кондиционирования и вентиляции двухпозиционные регуляторы в виду простоты и надежности нашли широкое применение при регулировании температуры (термостаты), давления (прессостаты) и других параметров состояния процесса [1]. 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.

ПИ-закон регулирования характеризуется наличием второй составляющей – интегральной (И), которая суммирует во времени сигнал ∆, тем самым заставляя регулирующий орган занять положение, соответствующее нулевой статической ошибке. Кроме Кп, ПИ –регулятор имеет второй параметр настройки Ти– время интегрирования. Сочетание значений этих параметров настройки определяет приемлемый характер протекания переходного процесса по его длительности и колебательности.

В ПИД – регуляторе, кроме упомянутых пропорциональной и интегральной составляющих, введена еще дифференциальная (Д), которая вырабатывает регулирующее воздействие пропорциональное скорости изменения ∆ и характеризуется параметром настройки Тд (постоянная времени дифференцирования). Такие регуляторы предпочтительны для объектов с резкими перепадами температур (скачкообразное изменение теплопритоков) или с большим транспортным запаздыванием (длинные трубо- и воздухопроводы).

Реализация ПИ и ПИД – регуляторов требует выполнения специальных вычислительных операций, которые могут быть осуществлены или аппаратно (аналоговые устройства на основе операционных усилителей), или программно (цифровые вычислительные устройства). Для регулирования основных технологических параметров СКВ (температура, влажность и т. п.) существует большой ассортимент как непрерывных, так и цифровых одно- и многоканальных регуляторов.

В таблице 2 приведены рекомендации по выбору закона регулирования и типа регулятора, исходя из величины отношения запаздывания τd к постоянной времени объекта Т.

Таблица 2 – Выбор закона регулирования и типа регулятора

Исходя из таблицы 2 можно заключить, что наш объект без запаздывания и очень хорошо регулируемый. В качестве регулятора может быть использован релейный, непрерывный П-, ПИ-, ПД- или ПИД-регулятор.

Для подбора параметров регулятора воспользуемся функцией подбора регулятора в программе Matlab. Собрав модель схемы регулирования, показанную на рисунке 7 и задавшись в блоке Signal Constraint выбранным типом переходного процесса, получаем параметры настройки регулятора Kd=-94.7979, Ki=39.9194, Kp= 271.2686.

Рисунок 7 – Модель схемы регулирования

8. Исследование устойчивости системы автоматического регулирования

Для исследования устойчивости системы, предварительно разомкнув ее по главной обратной связи, построим годограф Найквиста (рисунок 8).

Рисунок 8 – Годограф Найквиста

По критерию Найквиста замкнутая система является устойчивой, так как ее амплитудно-фазная частотная характеристика не охватывает точку с координатами [-1;j0], и обладает бесконечными запасами устойчивости по амплитуде и по фазе.

9. Исследование переходных процессов

Линеаризировав систему и построив реакцию системы на единичный скачок, определим показатели качества системы управления. График полученной переходной характеристики и показатели качества изображены на рисунке 9.

Рисунок 9 – График переходной характеристики

Таким образом, ПИД регулятор с выбранными настройками обеспечивает следующие показатели: время регулирования tрег=375с, время нарастания tн=275с. Установившееся значение выходной величины () совпадает с заданной величиной, поэтому установившаяся ошибка , а значит, система является астатической, относительно скачка задания .

10. Составление спецификации на приборы и аппараты

Средства автоматизации, с помощью которых осуществляется управление процессом, должны быть выбраны технически грамотно и экономически обоснованно. При выборе средств автоматизации в первую очередь принимают во внимание следующие факторы:

-  взрыво- и пожароопасность объекта (повышенное давление 0,6 МПа);

-  агрессивность среды;

-  число параметров, участвующих в управлении, и их физические и химические свойства;

-  требования к качеству контроля и регулирования;

-  уровень температур;

-  расстояние между технологическим объектом и щитом управления (сравнительно не велико);

-  точность используемых средств измерения (электрические вторичные приборы более точные).

Исполнительные механизмы, воздуховоды и датчики, используемые в схеме автоматизации отображены в спецификации.

10.1 Регулятор ТРМ12

ТРМ12 – измеритель ПИД-регулятор для управления задвижками и трехходовыми клапанами фирмы ОВЕН. Рекомендуется для управления клапанами и задвижками с электроприводом по температуре теплоносителя. Выполняет следующие функции:

А) Измерение температуры или другой физической величины (давления, влажности, расхода, уровня и т.п.) с помощью:

-  термопреобразователей сопротивления типа ТСМ и ТСП 50/100, Pt100;

-  термопары ТХК, ТХА, ТНН, ТЖК, ТПП(S), ТПП(R);

-  датчика с унифицированным выходным сигналом тока 0(4)…20мА, 0…5мА или напряжения 0…1В

Б) Управление электромеханическим приводом запорно-регулирующего или

  трехходового клапана

В) Программирование кнопками на лицевой панели прибора

Г) Сохранение заданных параметров при отключении питания

Д) Защита параметров от несанкционированных изменений.

Технические характеристики регулятора ТРМ12 представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Технические характеристики

10.2 Измерение температуры

Термопреобразователи предназначены для непрерывного измерения температуры различных рабочих сред (пар, газ, вода, сыпучие материалы, химические реагенты и т.п.) не агрессивных к материалу корпуса датчика. В системе в качестве датчиков температуры установлено два термоэлектрических преобразователя (ТП) типа дТПL(ХК) и дТПК(ХА). ТП представляют собой термоэлектрическую цепь (термопару), образованную двумя разнородными металлическими проводниками с двумя спаями:

-  измерительный спай («рабочий») – подверженный воздействию температуры рабочей среды;

-  соединительный спай («холодный») – подверженный воздействию температуры в месте присоединения к измерительному прибору.

Диапазоны измерений ТП типа дТПК(ХА) и дТПL(ХК) составляют   -40…375°С и -40…300°С, а допустимые отклонения ±1,5°С и ±2,5°С соответственно.

10.3 Измерение давления

Также в системе установлен преобразователь избыточного давления ОВЕН ПД100-ДИ, который:

-  измеряет избыточное давление нейтральных к титану и нержавеющей стали сред, а также измерение перепада давления;

-  преобразование избыточного давления в унифицированный сигнал постоянного тока 4…20мА;

-  предел допустимой основной погрешности ±0,5% или ±1,0%;

-  высокая перегрузочная способность по давлению;

-  хорошие показатели временной стабильности выходного сигнала.

10.4 Устройства контроля и защиты

В системе используется устройство управления и защиты электропривода задвижки без применения концевых выключателей ОВЕН ПКП1. Осуществляет следующие функции:

-  автоматическая остановка электропривода при достижении задвижкой крайнего положения без применения концевых выключателей;

-  выключение управления приводом с выдачей сигнала «Авария» при заклинивании задвижек или проскальзывании механизмов электропривода и т.д.

автоматическая система управление вентиляция

11. Разработка и описание функциональной и электрической принципиальной схемы

Принципиальные электрические схемы автоматизации являются проектными документами, расшифровывающими принцип действия и работы узлов, устройств и систем автоматизации, работающих от источника электрической энергии.

Принципиальные электрические схемы автоматизации при помощи показанных на схемах условных графических, буквенных и цифровых изображений и обозначений, дают представление о последовательности работы применяемой электрической аппаратуры и элементов для достижения поставленных задач для упомянутых узлов, устройств и систем.

Принципиальные электрические схемы автоматизации разрабатываются для управления агрегатами, для регулирования технологических процессов, блокировок по технологическим параметрам, аварийной защиты производственных и технологических процессов и предупредительной и аварийной сигнализации.

Данные схемы являются основными чертежами для разработки рабочих монтажных чертежей и проведения пусконаладочных работ и квалифицированной эксплуатации этих узлов, устройств и систем электрического принципа действия. Названия принципиальным электрическим схемам присваиваются в соответствии с функциональным принципом действия запроектированной системы.

При выполнении принципиальных электрических схем используются развернутые изображения элементов.

Схема управления вентиляционной установки состоит из вентиляторов В1 и В2 с приводными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором М1-М4, предназначенной для проветривания помещений и поддержания при этом заданной температуры. Эти требования осуществляются ступенчатым регулированием угловой скорости двигателей путем изменения напряжения статора с помощью автотрансформатора AT, а также выбором количества находящихся в работе вентиляторов. Схема обеспечивает ручное и автоматическое управление вентиляторами; выбор режима работы осуществляется переключателем УП.

Ручное управление имеет место при переводе рукоятки УП в положение «+45°», при этом подготавливаются к включению цепи катушек контакторов КЛ, К1-К4. Двигатели вентиляторов по питанию разделены на две группы:

-  первая группа (М1 и М2) подключена к шинам на вторичной стороне AT постоянно;

-  вторая группа М3 и М4 присоединяется к шинам AT и включается в работу (при ручном управлении) переводом рукоятки переключателя ПК2 в положение 2, при котором срабатывает контактор К4.

Заключение

В данном курсовом проекте была построена автоматическая система управления приточно-вытяжной вентиляции. Система вентиляции работает следующим образом: всасывает свежий воздух из окружающей среды и циркуляционный воздух из проветриваемого помещения. Количество циркуляционного воздуха можно установить в пределах 0-100%. Кроме того, воздух нагревается и фильтруется. Двухступенчатое фильтрование обеспечивает не только захват частиц, рассеянных в воздухе, но также частично улавливает запах. Обработанный воздух выдувается в помещение. В задней части установки находится всасывающий патрубок для свежего воздуха, а в нижней – решетка для рециркуляционного воздуха. Соотношение перемешивания можно регулировать с помощью механического смесительного клапана.

Применение современных средств контроля, исполнительных механизмов и быстродействующих надежных регуляторов ТРМ12 позволяют сделать систему вентиляции надежной и экономичной, а системы сигнализации и блокировки обеспечивают ее безопасность.

Список использованных источников

1.  Бондарь Е.С. и др. Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха // К.: «Аванпост-Прим», – 2005.

2.  СНиП 3.05.07-85 Системы автоматизации.

3.  СНиП 2.04.05-91 Отопление, вентиляция и кондиционирование.

4.  Солодовников В.В. и др., Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. Учебное пособие для вузов. – М.: Машиностроение, 1985.

5.  Гордиенко А.С., Сидельник А.Б., Цибульник А.А., Микропроцессорные контроллеры для систем вентиляции и кондиционирования // С.О.К.-2007, № 4-5.