Вытяжные вентиляции производственного цеха

Доклад 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.

Основные задачи, решаемые в проектирования — модернизация существующей на объекте внедрения — производственных цехах ОАО «ВОМЗ» — системы вентилирования воздуха для обеспечения ее экономичности (экономия по расходу энергои теплоресурсов, сокращение затрат на обслуживание системы, уменьшение времени простоя), поддержанию комфортного микроклимата и чистоты воздуха в рабочих зонах, работоспособности и устойчивости, надежности работы системы в аварийных/критичных режимах.

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 пуска/останова 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 I/O 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 измерения/контроля 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 входной/выходной 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 переходов, компактность программы в памяти контроллера), так и технически (экономное использование портов ввода/вывода, 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 РИСО/МЭК 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.

Аннотация Дипломный проект включает введение, 8 разделов, заключение, список использованных источников, приложения и составляет 141 страницу машинописного текста с иллюстрациями.

В первом разделе приводится обзор и анализ необходимости проектирования системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией (САУ ПВВ) производственных цехов, маркетинговое исследование шкафов автоматики. Рассматриваются типовые схемы вентиляции и альтернативные подходы к решению задач дипломного проектирования.

Во втором разделе дается описание существующей системы ПВВ на объекте внедрения — ОАО «ВОМЗ», как технологического процесса. Формируется обобщенная структурная схема автоматизации по технологическому процессу подготовки воздуха.

В третьем разделе сформулировано расширенное техническое предложение по решению задач дипломного проектирования.

Четвертый раздел посвящен разработке САУ ПВВ. Выбраны элементы автоматизации и управления, представлены их технические и математические описания. Описан алгоритм регулирования температуры приточного воздуха. Сформирована модель и проведено моделирование работы САУ ПВВ по поддержанию температуры воздуха в помещении. Выбрана и обоснована электрическая проводка. Построена тактовая циклограмма работы системы.

В пятом разделе приведены технические характеристики программируемого логического контроллера (ПЛК) WAGO I/O System. Приведены таблицы соединений датчиков и исполнительных устройств с портами ПЛК, в т. ч. и виртуальными.

Шестой раздел посвящен разработке алгоритмов функционирования и написанию управляющей программы ПЛК. Обоснован выбор среды программирования. Приведены блок-алгоритмы отработки системой аварийных ситуаций, блок-алгоритмы функциональных блоков, решающих задачи запуска, управления и регулирования. В раздел включены результаты тестирования и отладки управляющей программы ПЛК.

В седьмом разделе рассматривается безопасность и экологичность проекта. Проводится анализ опасных и вредных факторов при эксплуатации САУ ПВВ, приводятся решение по охране труда и обеспечении экологичности проекта. Разрабатывается защита системы от аварийных ситуаций, в т. ч. усиление системы в плане пожарозащищенности и обеспечения устойчивости функционирования при чрезвычайных ситуациях. Приведена разработанная принципиальная функциональная схема автоматизации со спецификацией.

Восьмой раздел посвящен организационно-экономическому обоснованию разработки. Приводится расчет себестоимости, экономичности и сроков окупаемости проектной разработки, в т. ч. с учетом этапа внедрения. Отражены стадии разработки проекта, оценена трудоемкость работ. Приведена оценка экономической эффективности проекта с использованием SWOT-анализа разработки.

В заключении приведены выводы по дипломному проекту.

Введение

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 дипломного проекта — разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией (САУ ПВВ) производственных цехов.

Проблема, рассматриваемая в дипломном проекте, обусловлена износом существующей на ОАО «Вологодский оптико-механический завод» системы автоматики ПВВ. Кроме того, система спроектирована распределенно, что исключает возможность централизованного управления и мониторинга. 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 дипломного 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 дипломном 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). Также разработка САУ ПВВ ведется с учетом предложений и рекомендаций специалистов, на основании имеющихся монтажных планов, кабельных трасс, систем воздуховодов.

Стоит отметить, что затронутая в дипломном проекте проблема имеет место быть практически на всех старых заводах оборонно-промышленного комплекса, переоборудование цехов — одна из наиболее важных задач в плане обеспечения качества продукции для конечного потребителя. Таким образом, в дипломном проектировании будет отражен накопленный опыт решения подобных задач на предприятиях со схожим типом производства.

1. Аналитический обзор

1.1 Общий анализ необходимости проектирования САУ ПВВ Важнейшим источником экономии топливно-энергетических ресурсов, затрачиваемых на теплоснабжение крупных производственных зданий со значительным потреблением тепловой и электрической энергии, является повышение эффективности работы системы приточно-вытяжной вентиляции (ПВВ) на основе использования современных достижений вычислительной и управляющей техники.

Обычно для управления системой вентиляции служат средства локальной автоматики. Основным недостатком такого регулирования является то, что оно не учитывает фактический воздушный и тепловой баланс здания и реальные погодные условия: температуру наружного воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление.

Поэтому под воздействием средств локальной автоматики система вентилирования воздуха работает, как правило, не в оптимальном режиме.

Эффективность работы системы приточно-вытяжной вентиляции можно значительно увеличить, если осуществлять оптимальное управление системами, основанное на использовании комплекса соответствующих технических и программных средств.

Формирование теплового режима можно представить как взаимодействие возмущающих и регулирующих факторов. Для определения управляющего воздействия нужна информация о свойствах и количестве входных и выходных параметров и условия протекания процесса передачи тепла. Так как целью управления вентиляционным оборудованием является обеспечение требуемых условий воздушной среды в рабочей зоне помещений зданий при минимальных энергетических и материальных затратах, то с помощью ЭВМ можно будет найти оптимальный вариант и выработать соответствующие управляющие воздействия на эту систему. В результате ЭВМ с соответствующим комплексом технических и программных средств образует автоматизированную систему управления тепловым режимом помещений зданий (АСУ ТРП). При этом стоит отметить также, что под ЭВМ можно понимать и пульт управления ПВВ, и пульт мониторинга состояния ПВВ, а также простейший компьютер с программой моделирования САУ ПВВ, обработки результатов и оперативного управления на их основе.

Система автоматического управления — это совокупность объекта управления (управляемого технологического процесса) и управляющих устройств, взаимодействие которых обеспечивает автоматическое протекание процесса в соответствии с заданной программой. При этом под технологическим процессом понимается последовательность операций, которые необходимо выполнить, чтобы из исходного сырья получить готовый продукт. В случае ПВВ готовым продуктом является воздух в обслуживаемом помещении с заданными параметрами (температура, газовый состав и т. д.), а сырьем — наружный и вытяжной воздух, теплоносители, электроэнергия и др.

В основу функционирования САУ ПВВ, как и любой системы управления, должен быть положен принцип обратной связи (ОС): выработка управляющих воздействий на основе информации об объекте, полученной с помощью датчиков, установленных или распределенных на объекте.

Каждая конкретная САУ разрабатывается исходя из заданной технологии обработки входного потока воздуха. Часто система приточно-вытяжной вентиляции сопряжена с системой кондиционирования (подготовки) воздуха, что отражается и в проектировании управляющей автоматики.

При применении автономных устройств или комплектных технологических установок обработки воздуха САУ поставляются уже встроенными в оборудование и уже заложенными определенными функциями управления, которые обычно подробно описываются в технической документации. В этом случае наладка, сервисное обслуживание и эксплуатация таких систем управления должны производиться в точном соответствии с указанной документацией.

Анализ технических решений современных ПВВ передовых фирм — производителей вентиляционного оборудования показал, что управляющие функции можно условно разделить на две категории:

— функции управления, определяемые технологией и оборудованием обработки воздуха;

— дополнительные функции, которые большей частью являются сервисными, представляются как ноу-хау фирм и здесь не рассматриваются.

В общем виде основные технологические функции управления ПВВ могут быть разделены на следующие группы (рис. 1.1)

Рис. 1.1 — Основные технологические функции управления ПВВ Опишем, что подразумевается под функциями ПВВ, представленными на рис. 1.1.

1.1.1 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.

1.1.2 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 °C.

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 дипломного 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 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.

1.1.3 Функция «защитные функции и блокировки»

Защитные функции и блокировки общие для систем автоматики и электрооборудования (защита от короткого замыкания, перегрева, ограничения перемещения и т. п.) оговорены межведомственными нормативными документами. Такие функции, обычно, реализуются отдельными аппаратами (предохранителями, устройствами защитного отключения, конечными выключателями и т. д.). Их применение регламентируется правилами устройства электроустановок (ПУЭ), правилами пожарной безопасности (ППБ).

— защита от замерзания. Функция автоматической защиты от замерзания должна быть предусмотрена в районах с расчетной температурой наружного воздуха для холодного периода минус 5оС и ниж. Защите подлежат теплообменники первого подогрева (водяной калорифер) и рекуператоры (если имеются).

Обычно защита от замерзания теплообменников выполняется на базе датчиков или датчиков-реле температуры воздуха за аппаратом и температуры теплоносителя в обратном трубопроводе.

Опасность замораживания прогнозируют по температуре воздуха перед аппаратом (tн<5 °С). При достижении указанных значений полностью открывают клапаны и останавливают приточный вентилятор.

В нерабочее время для систем с защитой от замерзания клапан должен оставаться приоткрытым (5−25%) при закрытой заслонке наружного воздуха. Для большей надежности защиты при отключенной системе иногда реализуют функцию автоматического регулирования (стабилизации) температуры воды в обратном трубопроводе.

1.1.4 Функция «защита технологической аппаратуры и электрооборудования»

1. Контроль загрязненности фильтра Контроль загрязненности фильтра оценивается падением давления на нем, которое измеряется дифференциальным датчиком давления. Датчик измеряет разность давлений воздуха до и после фильтра. Допустимое падение давления на фильтре указывается в его паспорте (для манометров, представленных на заводских воздушных трассах, по техпаспорту — 150−300 Па). Эта разность устанавливается при наладке системы на дифференциальном датчике (уставка датчика). При достижении уставки от датчика поступает сигнал о предельной запыленности фильтра и необходимости его обслуживания или замены. Если в течение определенного времени (обычно 24 часа) после выдачи сигнала предельной запыленности фильтр не будет очищен или заменен, рекомендуется предусмотреть аварийную остановку системы.

Аналогичные датчики рекомендуется устанавливать на вентиляторах. Если выйдет из строя вентилятор или ремень привода вентилятора, то система должна быть остановлена в аварийном режиме. Однако, зачастую такими датчиками пренебрегают из соображений экономии, что значительно затрудняет диагностику системы и отыскание неисправностей в дальнейшем.

2. Другие автоматические блокировки Кроме того, автоматические блокировки должны быть предусмотрены для:

— открывания и закрывания клапанов наружного воздуха при включении и отключении вентиляторов (заслонки) [3];

— открывания и закрывания клапанов систем вентиляции, соединенных воздухопроводами для полной или частичной взаимозаменяемости при выходе из строя одной из систем [3];

— закрывания клапанов систем вентиляции для помещений, защищаемых установками газового пожаротушения при отключении вентиляторов систем вентиляции этих помещений [3];

— обеспечения минимального расхода наружного воздуха в системах с переменным расходом и др.

1.1.5 Регулирующие функции Регулирующие функции — автоматическое поддержание заданных параметров являются основными по определению 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:

е = Tуст — Тизм будет минимальной.

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 двухили трехпозиционным регуляторам. Такие регуляторы иногда называют релейными из-за сходства их графических характеристик с характеристиками реле. Параметром настройки таких регуляторов служит величина зоны нечувствительности Де.

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, ПИи 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.

1.2 Анализ 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, электрои 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:

1. Общие данные: территориальное расположение объекта (город, район); тип и назначение объекта.

2. 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;

3. 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. Объект управления здесь — это шкаф автоматики (пульт управления), фиксирующие устройства — датчики каналов, управляющее воздействие оказывается на двигатели моторов вентиляторов, двигатели заслонок. Также присутствует САР подогрева/охлаждения воздуха. Забегая вперед, можно отметить, что система, приведенная на рис. 1.4а — прототип системы, которую необходимо использовать на участке литья под давлением ОАО «Вологодский оптико-механический завод». Охлаждение воздуха в производственных помещениях малоэффективно вследствие объемов этих помещений, а подогрев является обязательным условием правильного функционирования САУ ПВВ.

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 в, г) 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 а, б) 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, зимний/летний. 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.

1.3 Маркетинговое исследование В настоящее время на рынке автоматики для приточно-вытяжной вентиляции широко представлены все ведущие мировые производители вентиляционного оборудования, причем каждый из них специализируется на производстве оборудования в определенном сегменте. Весь рынок вентиляционного оборудования можно условно разделить по следующим областям применения:

— бытового и полупромышленного назначения;

— промышленного назначения;

— вентиляционное оборудование «специального» назначения.

Так как в дипломном проекте рассматривается проектирование автоматики для приточно-вытяжных систем производственных помещений, то для сравнения предлагаемой разработки с имеющимися на рынке необходимо выбрать подобные существующие пакеты автоматики известных производителей.

Результаты маркетингового исследования существующих пакетов САУ ПВВ представлены в приложении А.

Таким образом, в результате маркетингового исследования были рассмотрены несколько наиболее часто применяемых САУ ПВВ разных производителей, путем изучения их технической документации были получены сведения:

— состав соответствующего пакета САУ ПВВ;

— реестр параметров контроля (давление в воздуховодах, температура, чистота, влажность воздуха);

— марка программируемого логического контроллера и его комплектация (программное обеспечение, система команд, принципы программирования);

— наличие связей с другими системами (предусмотрена ли связь с пожарной автоматикой, имеется ли поддержка протоколов локальных сетей);

— защитное исполнение (электробезопасность, пожаробезопасность, пылезащищенность, помехозащищенность, влагозащищенность).

2. Описание вентиляционной сети производственного цеха как объекта автоматического управления

В целом, по результатам анализа имеющихся подходов к автоматизации систем вентилирования и подготовки воздуха, а также в результате аналитических обзоров типовых схем можно сделать вывод о том, что задачи, рассматриваемые в дипломном проекте, являются актуальными и в настоящее время, активно рассматриваемыми и изучаемыми специализированными конструкторскими бюро (СКБ).

Отмечу, что существуют три основных подхода к реализации автоматики для системы вентиляции:

— распределенный подход: реализация автоматики ПВВ на основе местного коммутационного оборудования, управление каждым вентилятором ведется соответствующим устройством.

Данный подход применяют для проектирования автоматики сравнительно небольших вентиляционных систем, в которых не предвидится дальнейшего расширения. Он является наиболее старым. К преимуществам подхода можно отнести, например, то, что в случае аварии на одной из контролируемых вентиляционных ветвей система производит аварийную остановку только данного звена/секции. Кроме того, данный подход является сравнительно простым в реализации, не требует сложных алгоритмов управления, упрощает техническое обслуживание устройств вентиляционной системы.

— централизованный подход: реализация автоматики ПВВ на основе группы логических контроллеров или программируемого логического контроллера (ПЛК), управление всей системой вентиляции ведется централизованно в соответствии с заложенными программой и данными.

Централизованный подход является более надежным, чем распределенный. Все управление ПВВ является жестким, осуществляется на основе программы. Данное обстоятельство налагает дополнительные требования как к написанию кода программы (необходимо учитывать множество условий, в т. ч. действия в аварийных ситуациях), так и к особой защите управляющего ПЛК. Данный подход нашел применение для небольших административно-производственных комплексов. Его отличает гибкость настроек, возможность масштабирования системы до разумных пределов, а также возможность мобильного объединения системы по смешанному принципу организации;

— смешанный подход: используется при проектировании больших систем (большое количество управляемой техники, обладающей огромной производительностью), представляет из себя комбинацию распределенного и централизованного подхода. В общем случае данный подход предполагает уровневую иерархию во главе с управляющей ЭВМ и ведомыми «микроЭВМ», таким. образом образуя глобальную по отношению к предприятию управляющую производственную сеть. Другими словами, данный подход — распределено-централизованный подход с диспетчеризацией системы.

В аспекте задачи, решаемой в дипломном проектировании, наиболее предпочтительным является централизованный подход к реализации автоматики ПВВ. Так как система разрабатывается для небольших производственных помещений, возможно использование данного подхода для других объектов с целью их последующего объединения в единую САУ ПВВ.

Зачастую для шкафов управления вентиляцией предусматривается интерфейс, позволяющий осуществлять мониторинг состояния вентиляционной системы с выводом информации на монитор ЭВМ. Однако, стоит отметить, что данная реализация требует дополнительных усложнений программы управления, подготовки специалиста, следящего за состоянием и принимающего оперативные решения на основе визуально получаемых данных от опроса датчиков. Кроме того, всегда присущ фактор человеческой ошибки в экстренных ситуациях. Поэтому реализация данного условия является скорее дополнительной опцией к проектированию пакета автоматики ПВВ.

2.1 Описание 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 1 -воздухозаборное устройство; 2 -калориферы для подогрева; 3- приточный вентилятор; 4 — магистральный воздуховод; 5 — ответвления воздуховода; 6 — приточные насадки; 7 — местные отсосы; 8 и 9 — магистр. воздуховод вытяжной установки; 10 — пылеотделитель; 11 — вытяжной вентилятор; 12 — шахта выброса очищенного воздуха в атмосферу Автоматика существующей системы является сравнительно простой. Технологический процесс проветривания выглядит следующим образом:

1. 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 останова/выключения. Смена продолжается 8 часов — с часовым перерывом, то есть система в среднем простаивает 1 час в рабочее время. Кроме того, подобная «сблокированность» управления является экономически неэффективной, так как приводит к пере-расходу электроэнергии.

Следует отметить, что нет производственной необходимости, чтобы вытяжная вентиляция работала постоянно, целесообразно включать ее тогда, когда воздух загрязнен, либо, например, требуется отвод излишней тепловой энергии от рабочей зоны.

2. 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.

3. 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.