В современных условиях развития технологий и требований к качеству систем обеспечения микроклимата вопросы автоматизации тепловых процессов приобретают особую актуальность. Автоматические системы регулирования (АСР) представляют собой неотъемлемую часть процессов подготовки приточного воздуха, обеспечивая требуемые параметры работы оборудования с необходимой точностью и надёжностью для создания полноценного комфорта в помещениях.
Система регулирования температуры воздуха на выходе из калорифера представляет собой один из базовых элементов систем вентиляции. Эффективность работы таких систем регулирования напрямую влияет на комфорт и безопасность людей в помещениях, а также на сохранность оборудования. Актуальность данного направления обусловлена необходимостью повышения комфортности микроклимата, создаваемого системами вентиляции, и повышением эффективности АСР [1–4]. Правильно спроектированная и настроенная система автоматического регулирования температуры воздуха приточно-вытяжной вентиляционной установки (ПВУ) позволяет достичь оптимального баланса между энергопотреблением и качеством поддержания заданных параметров. В комплекте с первичными приборами измерения температуры используют микропроцессорные преобразователи, обеспечивающие контроль и возможность регулирования измеряемых показателей.
В работе рассматривается система централизованного закрытого теплоснабжения. Подключение объекта выполнено по схеме с индивидуальным тепловым пунктом (ИТП) с погодозависимой автоматикой. Система вентиляции объекта подключена через ИТП, в её состав входят фильтры, электрический подогреватель воздуха первой ступени, нагнетатель воздуха, калорифер, шумоглушитель. Выходной сигнал всех датчиков — 4–20 мА.
Датчик давления на выходе из калорифера предназначен в том числе для определения эффективности работоспособности системы и отсутствия нештатных ситуаций. В качестве первичного измерительного прибора принят микропроцессорный преобразователь давления АИР-10LH [5] мембранного типа. Тензорезисторы на мембране меняют электрическое сопротивление, первичный преобразователь выдаёт сигнал, поступающий на измеритель-регулятор ИРТ 5920Н.
Для измерения и непрерывного преобразования значений объёмного расхода (объёма воздуха в помещении) в унифицированный цифровой сигнал постоянного тока используется вихревой расходомер-счётчик «Элемер-РВ» [6]. Результаты измерения отображает многоканальный видеографический регистратор РМТ 79 [7].
В систему фильтров ставятся два датчика — до фильтров и после. Сравнение показаний с двух приборов позволяет определить степень загрязнения фильтров и выявить целесообразность проведения процедуры очистки. Для проверки качества фильтрации ставятся пылемеры «Аэрокон-П» [8]. При загрязнении фильтров увеличивается сопротивление прохождению воздуха и возрастает перепад давления на самих фильтрах. Также установлен прибор АИР-10LH, измеряющий давление рабочей среды и преобразующий информацию в унифицированный сигнал 4–20 мА. Информация передаётся на технический измеритель-регулятор ИРТ 5920Н, где обрабатывается и отображается текущим значением.
Конструктивно вентиляционная установка представляет собой совмещённые металлические шкафы-отсеки. Для обеспечения возможности обнаружения неплотностей и утечек воздуха значения давления измеряются после каждого перехода в следующий отсек.
После отсека фильтров воздух проходит через электрический воздухонагреватель, который необходим для первичного подогрева воздуха до температуры не ниже +5°C, что предотвращает обледенение вентилятора. Для задания и отслеживания данных параметров используются цифровой щитовой амперметр, цифровой ваттметр и цифровой щитовой вольтметр, а также термопреобразователь сопротивления ТС-1088, необходимый для мониторинга значения температуры подготавливаемого воздуха. Преобразованный в сигнал параметр отправляется на ИРТ 5920Н. Далее подогретый воздух проходит секцию центробежного вентилятора. Для мониторинга величин перепада давления после вентилятора устанавливается микропроцессорный преобразователь давления АИР-10LH и технический измеритель-регулятор ИРТ 5920Н.
После центробежного вентилятора поток воздуха проходит через секцию с калорифером, которая является второй ступенью подогрева. Перед калорифером для обеспечения эффективного и безопасного контроля температурного режима установлено средство теплотехнического измерения: термопреобразователь сопротивления ТС-1088 и измеритель-регулятор ИРТ 5920Н.
Последняя секция шумоглушения необходима для устранения турбулентных шумов, созданных генератором, и нейтрализации шума от вибрации элементов системы. Измерение уровня шума с учётом восприятия звука человеком выполняется прибором «Мегеон 92021» [9].
Повышение эффективности вентиляционной установки и её системы управления
Показанная вентиляционная установка обладает недостатком, состоящим в отсутствии возможности регулирования влажности подготавливаемого воздуха. Зимний воздух с низким уровнем абсолютной влажности после подогрева будет иметь низкий уровень относительной влажности, что будет отрицательно сказываться на самочувствии людей, находящихся в помещении. Также пересушенный воздух негативно влияет на мебель, отделку стен, на растения.
Для повышения качества воздуха в вентиляционную систему добавляется секция с увлажнителем. Увлажнитель устанавливается между секциями калорифера и шумоглушителя. Модернизации подверглась и система датчиков. В секции увлажнителя для мониторинга возможных утечек установлен датчик давления.
Датчики влажности необходимо устанавливать до и после увлажнителя — для определения влажности приточного воздуха и для определения эффективности её регулирования. Относительная влажность подготавливаемого воздуха в условиях города Москвы может составлять от 60 до 100% [10]. В качестве первичного измерительного прибора устанавливается РОСА-10/М1 [11], который в комплекте с ИРТВ-5215 обеспечивает мониторинг влажности в вентиляционной системе.
Принцип действия датчика влажности РОСА-10 основан на прямой зависимости между ёмкостью чувствительного элемента преобразователя и относительной влажностью окружающей среды с последующим преобразованием электрической ёмкости чувствительного элемента в выходной электрический сигнал постоянного тока и компенсацией температурной зависимости.
В качестве чувствительного элемента температуры использован термопреобразователь сопротивления с НСХ Pt500.
Описание системы регулирования температуры воздуха на выходе из калорифера и объекта управления
Выбранная одноконтурная АСР состоит из объекта регулирования (температура воздуха), ПИ-регулятора и отрицательной обратной связи. Для регулирования в системе выбран ПИ-регулятор, как наиболее распространённый тип алгоритма регулирования заданной величины.
Рис. 1. Одноконтурная автоматическая система регулирования температуры воздуха на выходе из калорифера
Перед началом расчёта автоматической системы регулирования необходимо изучить модель объекта, а именно рассмотреть временные и частотные характеристики по основному каналу. По известной передаточной функции определяется переходная характеристика с учётом запаздывания. Для расчёта одноконтурной АСР, представленной на рис. 1, принят частотный показатель колебательности М = 1,55. В расчёте для настроек ПИ-регулятора используется вспомогательная функция, по графику которой определяется первый пик в заданном частотном диапазоне. Резонансная частота, которая соответствует пику данной кривой, составляет 0,0168 рад/с. Прямые показатели переходного процесса (рис. 2): время регулирования tрег = 580 с; динамическое отклонение yдин(t) = 1,319%УС; степень затухания ψ = 0,9.
Рис. 2. Годограф КЧХ объекта
Расчёт АСР с цифровым контроллером и анализ переходных процессов
По теореме Котельникова — Шеннона для того, чтобы система с цифровым регулятором вела себя не хуже системы с аналоговым регулятором, необходимо, чтобы интервал квантования был меньше величины π/ωmax, где ωmax = 0,449. На основании расчёта построены переходные процессы в системах с цифровым и аналоговым регуляторами при возмущении на вход объекта (рис. 3).
Рис. 3. График переходных процессов в системах с цифровым и аналоговым регуляторами при возмущении на вход объекта в программе SimInTech
На основании проведённого анализа АСР температуры воздуха в ПВУ установлено, что наиболее эффективными являются системы с качественным и количественно-качественным регулированием.
Определены основные параметры объекта исследования и его характеристики, построена математическая модель объекта в виде передаточной функции с учётом запаздывания.
Рассчитана одноконтурная автоматическая система регулирования (АСР) температуры воздуха с ПИ-регулятором и найдены параметры регулятора так, чтобы частотный показатель колебательности не превышал заданного значения, а именно: M = 1,55, kp = 0,622%УП/%УС, ki = 0,012. Методом подбора определён оптимальный интервал квантования T = 7 с.
Построены переходные процессы, по которым можно сделать вывод, что теорема Котельникова — Шеннона выполняется, и система с цифровым регулятором ведёт себя подобно системе с аналоговым регулятором.
Данная система обладает достаточной устойчивостью и может быть рекомендована к практическому применению в системах вентиляции и отопления.
