W010508 Контрольная работа Автоматизация процесса отопления и горячего водоснабжения здания, расчет и выбор основных элементов системы

3.1. Анализ и выбор контроллера, его структура и характеристики

Промышленный контроллер специализированного типа

ECL Comfort 210 предназначен для контроля и регулирования температуры в контурах отопления и горячего водоснабжения.

Рисунок 3.1. Внешний вид контроллера ECL Comfort 210

Функциональные особенности контроллера [7]:

• регулирование температуры в системе отопления по отопительному графику;

• в зависимости от температуры наружного воздуха может устанавливаться ограничение на температуру теплоносителя в обратном трубопроводе;

• в целях поддержания необходимой температуры в здании

ECL Comfort 210 корректирует температуру подачи теплоносителя;

• поддержание постоянной заданной температуры в контуре горячего водоснабжения (ГВС);

• наличие функции архивирования полученных данных о системе;

Исходя из температуры наружного воздуха осуществляется регулирование температуры в контуре отопления по отопительному графику. Параметры графика задаются в контроллере исходя из поддержания определенной температуры в здании. Пример данного графика приведен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2. Отопительный график контроллера ECL Comfort 210.

Таблица 3.1

В таблице 3.1 приведены значения температур соответствующие данному отопительному графику контроллера.

3.2. Анализ процесса теплоснабжения здания как объекта управления

С учетом анализа и выбора основных схем систем управления при централизованном теплоснабжении здания объектом управления является система отопления здания и вторым объектом управления другой локальной САР является система горячего водоснабжения.

В первом случае объектом управления является система отопления здания при зависимом присоединении системы отопления к тепловым сетям, чтобы обеспечить бесперебойную, эффективную и безопасную работу теплового пункта его необходимо обеспечить системой автоматизации технологического процесса.

ОУ отопления характеризуется следующими входными и выходными параметрами:

1) входные:

• У1 - температура теплоносителя в подающем трубопроводе тепловых сетей;

• У2 - расход теплоносителя из подающего трубопровода тепловых сетей;

• УЗ - температура наружного воздуха;

• У4 - влажность наружного воздуха;

• У5 - давление наружного воздуха;

2) выходные:

• X1- температура теплоносителя в системе отопления;

• Х2 - температура воздуха в помещении.

При этом имеются следующие каналы регулирования, а именно, внутренний «температура теплоносителя в системе отопления – расход теплоносителя» и внешний «температура воздуха в помещении – расход теплоносителя». Регулируемым параметром по внутреннему контуру является температура теплоносителя в системе отопления X1. Регулирующим входным параметром при стабилизации этой температуры является расход теплоносителя из подающего трубопровода У2.

Регулируемым параметром по внешнему контуру является температура воздуха в помещении Х2. Регулирующим входным параметром при стабилизации этой температуры также является расход теплоносителя из подающего трубопровода У2, т.е. этот контур предназначен для корректирования расхода теплоносителя с учетом температуры воздуха в помещении Х2.Параметры УЗ – У5 являются возмущающими для этого контура регулирования.

Система горячего водоснабжения предназначена для подготовки горячей воды, которая используется потребителями для бытовых нужд или для технологических процессов.

В этом случае объектом управления является система горячего водоснабжения (ОУ ГВС) здания, которая характеризуется следующими входными и выходными параметрами:

входные:

• У1 - расход горячей воды, поступающий в систему ГВС;

• У2 - расход теплоносителя в подающем трубопроводе;

• УЗ - температура теплоносителя в подающем трубопроводе в ИТП;

• У4 - соотношение расходов теплоносителя в подающем трубопроводе в ИТП и расходом горячей воды в ГВС;

выходные:

• X1- температура горячей воды в системе ГВС;

• Х2 - расход горячей воды в ГВС.

В качестве регулируемого (выходного) параметра выбирается температура горячей воды в системе ГВС (X1), а регулирующего (входного), расход теплоносителя (У2), т.е. регулирование температуры воды в системе ГВС происходит в зависимости от расхода теплоносителя У2. Остальные регулирующие параметры для выбранного канала регулирования считаются возмущающими.

В рассматриваемой ВКР разрабатывается автоматизация системы отопления здания. В этом случае объект управления СО здания представляет собой последовательное соединение двух объектов управления со следующими переменными [8]:

Рисунок 3.3. Объект управления системой отопления здания

Q(t) – расход теплоносителя из внешних теплосетей;

ТСО(t) – температура теплоносителя в подающем трубопроводе на входе в систему отопления здания;

ТО(t) – температура теплоносителя в обратном трубопроводе на выходе из системы отопления здания;

Твн1(t) – температура наружного воздуха;

Твн2(t) – температура воздуха в типовом помещении здания.

Следует заметить, что канал регулирования «ТСО(t) – То(t)» аналогичен каналу «Тсо(t) – Твн2(t)»

Рисунок 3.4. Обобщенная функциональная схема автоматизации ОУ с учетом регулирования по отклонению и возмущению

ИМ1 – исполнительный механизм;

РО1 – регулирующий орган;

ОУ1 – часть системы отопления в ИТП;

ОУ2 – остальная часть системы отопления в ИТП и СО здания;

ДТ1 – датчик температуры теплоносителя;

ДТ2 – датчик температуры воздуха в помещении.

ДТ3 – датчик температуры наружного воздуха.

БРО – блок регулирования отопления. В БРО входят регуляторы Р1 и Р2. Р1 состоит из блока формирования задания (регулирование по возмущению) и блока регулирования по отклонению.

Особенность Р1 заключается в том, что он формирует ПИ-закон регулирования, так как постоянная времени ОУ1 находится в пределах 3-9 секунд. Р2 может формировать как П-закон, так и ПИ-закон регулирования. Однако, учитывая, что постоянная времени ОУ2, например по каналу регулирования «Тсо(t) – То(t)», составляет порядка 700-1000 секунд, то достаточно чтобы Р2 формировал П—закон регулирования.

Рассмотрение динамических процессов с учетом функциональной схемы автоматизации, показанной на рисунке 3.4 относительно сложно. Это связано с тем, что надо учесть гидравлические процессы с учетом ОУ1 и тепловые процессы, протекающие в помещении здания ОУ2. Для этого ограничимся процессами в ИТП и рассмотрим следующую схему ОУ. В качестве  канала  регулирования  ОУ рассмотрим температуры Т01 и Т02, где УС - узел смешивания.

Рисунок 3.5. Особенности объекта управления

3.3. Расчет и построение основных динамических характеристик

Анализ динамических свойств ОУ производится по временным и частотным характеристикам. К временным характеристикам относится переходная и импульсная характеристики. К частотным: комплексно-частотная характеристика (КЧХ), фазо – частотная характеристика (ФЧХ) и амплитудно – частотная характеристика (АЧХ). Работа объекта управления характеризуется следующим уравнением второго порядка:

     ,   (3.1)

где    kОУ = 0,71 % / %, 1 = 583 с, 2 = 885 с.

Преобразуем по Лапласу уравнение (3.1) и получим:

                .  (3.2)

Определим передаточную функцию  :

 .    (3.3)

Найдем уравнение переходной характеристики, оно будет иметь следующий вид:

  ,    (3.4)

Прировняем знаменатель выражения (3.3) к нулю и найдем корни уравнения:

 ,     (3.5)

 ,

 .

Применим формулу разложения Хевисайда для нахождения переходной характеристики.