W010495 Контрольная работа Разработка структуры систем автоматического регулирования теплопотребления

2.1. Разработка системы теплопотребления здания

Принципиальная схема автоматизированного ИТП офисного здания для открытой системы централизованного теплоснабжения при зависимом присоединении отопления к тепловым сетям показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. Принципиальная схема автоматизированного ИТП офисного здания

с зависимым присоединением системы теплоснабжения

Блок-схема автоматизированного ИТП муниципального здания на базе САР с узлом учета теплопотребления для открытой системы централизованного теплоснабжения при зависимом присоединении отопления к тепловым сетям показана на рисунке 2.2.

САР отопления здания содержит следующие приборы и оборудование:

- моноблок циркуляционных насосов (поз. 7);

- специализированный контроллер ECL Comfort 210 для регулирования температуры в системе отопления и ГВС (поз. 2);

- блок управления электроприводами насосов Wilo SK-702;

- регулирующий клапан с исполнительным механизмом (поз. 6);

- накладные датчики температуры теплоносителя ТЕ1 в подающем трубопроводе системы отопления и ТЕ2 в обратном трубопроводе Т2 (поз. 4), датчик температуры наружного воздуха здания (поз. 3);

- обратный клапан, расположенный на перемычке между подающим и обратным трубопроводами системы отопления (поз. 24);

Система горячего водоснабжения содержит следующие приборы и оборудование:

- теплообменник пластинчатый, первая ступень (поз. 13), вторая ступень (поз. 14),

- регулирующий клапан с исполнительным механизмом (поз. 11);

- погружной датчик температуры (поз. 5);

- специализированный контроллер ECL Comfort 210 (поз. 2);

- циркуляционные насосы (поз. 12);

К контроллеру ECL Comfort 210 подключены:

- накладные датчики температуры (поз. 4) соответственно к аналоговым входам (Х1–Х4);

- исполнительный механизм М1 системы отопления соответственно к выходам ECL Comfort 210 (Y1) и исполнительный механизм М2 системы ГВС к выходу (Y2).

К блоку управления Wilo SK-702 подключены:

- датчик давления , подключенный к аналоговому входу (X1);

- электроприводы  насосов  (поз. 12)    к  выходам (Y1- Y2).

Рисунок 2.2. Блок-схема автоматизированного ИТП для открытой системы теплоснабжения

с зависимой схемой присоединения отопления и зависимой схемой присоединения ГВС

к тепловым сетям

Основная особенность системы автоматического регулирования отопления здания состоит в том, что данная система позволяет регулировать температуру теплоносителя в системе отопления путем изменения расхода теплоносителя от внешних теплосетей учитывая подмес теплоносителя из обратного трубопровода через перемычку с обратным клапаном.

При этом, в системе отопления даже при полностью открытом регулирующем клапане (с исполнительным механизмом), будет происходить подмешивание охлажденного теплоносителя из обратного трубопровода, за счет использования перемычки с обратным клапаном [4].

Основными особенностями контроллера специализированного типа ECL Comfort 210 использованного в системе отопления здания и ГВС являются:

- регулирование температуры в контуре отопления по отопительному графику;

- обеспечивает поддержание оптимальной температуры при минимальных затратах на тепловую энергию;

- высокая точность поддержания температуры;

- использование электронных ключей программирования обеспечивающих минимальную настройку контроллера;

- архивирование значений температуры и сигнализаций об авариях за определенный период времени.

Схема подключения контроллера представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3. Схема электрических соединений контроллера ECL Comfort 210

Исходя из схемы рисунок 2.3. можно сделать вывод что к контроллеру специализированного типа ECL Comfort 210 можно подключить два насоса с двумя электроприводами.

Технические характеристики контроллера:

• тип - ECL 210;

• наименование: универсальный электронный регулятор с погодной компенсацией на 230 В;

• напряжение питания: 230 В, 50 Гц;

• минимальное напряжение питания: 207 В;

•  максимальное напряжение питания: 244 В;

•  потребляемая мощность: 5 Вт;

•  нагрузка на релейных выходах: 4 (2) A / 250 V АС;

•  нагрузка на тиристорных выходах: 0.2 A / 250 V АС;

•  Тмин окр. среды: 0 °C;

•  Тмакс окр. среды: 55 °С;

•  Тмин хранения и транспортировки: -40 °C;

•  Тмакс хранения и транспортировки: 70 °C;

•  резервный источник питания для таймера: 72 часа;

• цифровой вход: 12 В;

• тип датчика: Pt 1000 Ом/°C;

•  класс защиты корпуса: IP 41

•  максимальная длина кабеля датчика: 200 м;

•  корпус: 210 x 110 х 78,7 мм;

Из данной схемы сразу становится понятна невозможность использования одного контроллера для нашей системы ИТП, так как ECL Comfort 210 не имеет возможности регулировать работу циркуляционных насосов и в системе отопления, и в системе горячего водоснабжения. Для функционирования заданной схемы необходимо дополнить контроллер ECL Comfort 210 дополнительным блоком управления Wilo SK-702, который предназначен для защиты, контроля и управления насосами в системах горячего и холодного водоснабжения.

2.2. Разработка функциональной схемы системы автоматизации отопления на базе контроллера ECL Comfort 210

На рисунке 2.4. представлена функциональная схема системы автоматического регулирования отопления здания на базе специализированного контроллера ECL Comfort 210.

Рисунок 2.4. Функциональная схема САР отопления здания на базе специализированного контроллера типа ECL Comfort 210

Функциональная схема автоматической системы содержит:

• задатчик температуры ПЗ, для программного задания температуры в обратном трубопроводе;

• контроллер ТК типа ECL Comfort 210;

• исполнительный механизм ИМ1;

• регулирующий орган РО1;

• накладные датчики температуры ДТ1 и ДТ2, соответственно расположенные в подающем трубопроводе системы отопления и в обратном трубопроводе, связанном с теплосетями;

• датчик температуры наружного воздуха ДТ3;

• объект управления ОУ1.

• Блок управления насосами БУН1, типа SK-702;

• электроприводы насосов ЭП1, ЭП2;

• насосы Н1, Н2.

Выходные величины ОУ1 следующие:

• Т1(t) – температура теплоносителя в СО здания;

• Т2(t) – температура  теплоносителя в обратном трубопроводе теплосетей.

Входные величины ОУ1 следующие:

• Т3н(t) – температура наружного воздуха;

• G1(t) – расход теплоносителя.

Рассмотрим особенности функционирования САР, функциональная схема которой показана на рисунке 2.4.

В схеме САР отопления здания применяется 3 контура регулирования-1 по возмущению и 2 по отклонению. Контур регулирования по возмущению представлен с учетом датчика ДТ3, который определяет температуру наружного воздуха Т3н, контуры же регулирования по отклонению представлены с учетом датчиков ДТ1 (по температуре теплоносителя Т3 в системе отопления)  и  ДТ2  (по температуре  теплоносителя  в  обратном  трубопроводе теплосетей Т2) [5].

Первый контур регулирования по отклонению предназначен для управления температурой теплоносителя Т1(t) системы отопления путем изменения расхода теплоносителя G1(t) системы отопления. Этот контур регулирования функционирует на базе одного из блоков ПИ-регулятора контроллера ECL Comfort 210. Второй контур регулирования по отклонению

предназначен для защиты системы теплоснабжения от превышения температуры теплоносителя Т2(t) путем введения коррекции на изменение расхода теплоносителя G1(t) по первому контуру.

Первый контур регулирования системы работает следующим образом: согласно выбранному отопительному графику в самом контроллере и с учетом показаний датчика температуры ДТ1, в блоке обработки данных формируется задание для ПИ-регулятора контура отопления т.е. определяется температура уставки с целью поддержания необходимой температуры в системе отопления здания.

При возникновении в САР отклонения по температуре, в результате сравнения показаний датчика температуры ДТ1 и задатчика ПЗ, формируется управляющий сигнал в контроллере ТК для устранения этого отклонения:

                                       t1 = fПЗ(t) – fДТ1 (t),                                            (2.1)

где fПЗ(t) – программное задание температуры в системе отопления, т.е. уставка для регулятора (T3у), определяемая в блоке обработки данных; fДТ1(t) – данные от датчика температуры ДТ1.

Если температура в системе отопления здания увеличилась относительно уставки, то контроллер формирует управляющую команду, в результате которой исполнительный механизм ИМ1 перемещает шток регулирующего органа РО1 клапана, тем самым уменьшая подачу теплоносителя в систему отопления здания. При этом температура в системе отопления начнет уменьшаться. Перемещение штока будет происходить до тех пор, пока отклонение t1 не станет равным нулю.

В случае уменьшения температуры теплоносителя относительно уставки регулирование происходит аналогичным образом. Контроллер формирует команду, подаваемую на исполнительный механизм, для увеличения температуры теплоносителя в системе отопления здания путем перемещения штока в другую сторону, до равенства показаний датчика ДТ1 и программного задания ПЗ.

Второй контур регулирования системы работает следующим образом:

Если в системе автоматического регулирования произойдет увеличение температуры на датчике ДТ2, больше максимально допустимой температуры T2ум, которое определяется по графику обратной воды T2ум = f(T1н), то контроллер сформирует управляющую команду защищающую от этого превышения. ТК прерывает регулирование температуры по заданию T3у в контуре отопления и переходит на режим снижения температуры T2 до значения при котором T2i станет меньше максимально допустимой на некоторую величину Δ. После снижения температуры теплоносителя в обратном трубопроводе до заданной, контроллер ТК автоматически переходит в режим регулирования температуры в системе отопления здания.

На рисунке 2.5. представлена функциональная схема системы автоматического регулирования горячего водоснабжения здания на базе специализированного контроллера ECL Comfort 210.

Рисунок 2.5 Функциональная схема САР горячего водоснабжения здания

Функциональная схема САР ГВС содержит:

• задатчик температуры ПЗ;

• контроллер ТК типа ECL Comfort 210;

• исполнительный механизм ИМ2;

• регулирующий орган РО2;

• погружной датчик температуры ДТ4;

• объект управления ОУ2, система ГВС здания с учетом двухступенчатого теплообменника;

• Блок управления насосами БУН2, типа SK-702;

• электроприводы насосов ЭП3, ЭП4;

• насосы Н3, Н4.

Выходной величиной ОУ2 является:

ТГВС(t) – температура теплоносителя в подающем трубопроводе системы ГВС здания;

Входной величиной ОУ2 является:

G2(t) – расход греющего теплоносителя в двухступенчатом теплообменнике системы ГВС.

Система автоматического регулирования горячего водоснабжения является одноконтурной.

В САР системы отопления здания с учетом инерционности ОУ применяется ПИ-регулятор, что позволяет осуществить управление без статической ошибки. Управление регулирующим клапаном посредством исполнительного механизма осуществляется с помощью последовательности импульсов с их длительностью D и периодом следования импульсов tим. Для ПИ-регулятора контроллера ECL Comfort 210 его выходной сигнал Yi определяется следующим образом:

 ,    (2.2)

где Ei – отклонение регулируемой величины от заданной; ΔEi = Ei – Ei-1 , т.е. разность между измеренными отклонениями; Δtk = tki – tki-1 разность по

времени между измерениями; τU – постоянная времени интегрирования; Xp – полоса пропорциональности, причем Xp=1/(2,5kp); kp–коэффициент пропорциональности регулятора; n – количество шагов в цикле.

Для ПИ-регулятора контроллера ECL Comfort 210  в уравнении (2.2) составляющие следующие:

• первое слагаемое соответствует пропорциональному отклонению регулируемой величины от ее заданного значения;

• второе слагаемое – интегралу от этого отклонения;

Учитывая, что датчик перемещения штока регулирующего клапана в автоматических системах регулирования процессов теплоснабжения может отсутствовать, поэтому контроллер вычисляет среднюю скорость перемещения штока клапана по следующей зависимости:

                                         ,                              (2.3)

где vs – средняя скорость перемещения штока клапана, т.е. в этом случае не учитывается третье слагаемое в уравнении (2.2).

Тогда, если vs < 0, то контроллером формируется сигнал на закрытие регулирующего клапана, в противном случае (vs > 0) – на открытие клапана. Длительность импульсов при этом определяется в виде:

                                              D = vs tим.                                                  (2.4)

Таким образом, на базе контроллера ТК по первому каналу осуществляется регулирование температуры в системе отопления здания, а второму его каналу - стабилизация температуры горячей воды в системе ГВС.

2.3. Разработка структуры автоматизированной системы диспетчерского управления

Создание современных автоматизированных систем диспетчерского управления связано с одним из немаловажных направлений энергосбережения во всевозможных системах теплоснабжения зданий. Эти системы позволяют повысить эффективность работы систем теплоснабжения и обеспечивают существенную экономию энергоресурсов. В таких АСДУ для стабилизации температуры в помещении изменяют расход теплоносителя поступающего из теплосетей, с учетом температуры наружного воздуха. При этом системы автоматического регулирования нижнего уровня АСДУ должны регулировать температуру на выходе индивидуального теплового пункта т.е. отслеживать показания датчиков температуры в обратных трубопроводах системы отопления зданий и сооружений.

Главной целью внедрения систем АСДУ является повышение энергоэффективности различных систем отопления. Это осуществляется путем автоматизации сбора и обработки информации о состоянии системы в целом и отдельных ее частей в частности, координированного управления энергоресурсами для оперативного принятия решений в случаях аварий и всевозможных неисправностей.

По функциональному назначению в структуре АСДУ можно выделить три основных уровня:

• нижний уровень, на этом уровне формируется первичная информация о состоянии контролируемых объектов (т.е. оборудования индивидуальных тепловых пунктов, тепловых узлов), поступающая на верхний уровень системы управления, а также осуществляется контроль и учет потребления энергоресурсов;

• средний уровень, на данном уровне находятся коммуникационные контроллеры, обеспечивающие связь верхнего и нижнего уровней. Средний уровень предназначен для сбора информации с нижнего уровня (с первичных измерительных преобразователей и др. приборов) и передачи его на верхний, с которого в свою очередь передаются команды управления на нижний уровень.