Моделирование процесса поддержания заданных температурных параметров помещения

В настоящее время в связи с постоянно растущими ценами на энергоресурсы особо остро стоит проблема энергосбережения. В случае, например, с частными отдельными квартирами эта проблема легко решается простым экономным обращением самими жильцами со светом, горячей водой и т. д. Куда более сложным является решение в случаях с предприятиями, заводами, фабриками, крупными коммерческими и административными зданиями, закусочными и ресторанами, в чём можно убедиться, рассмотрев хотя бы систему отопления этих самых зданий. Ведь отапливать рабочие помещения в выходные и праздничные дни не следует так интенсивно, как по будням, или, скажем, интенсивность отопления должна зависеть от температуры за окном, а не от календарного времени года: вспомним хотя бы минувшую зиму, когда в январе была плюсовая температура, а отопление по интенсивности было «зимним» — приходилось открывать окна в зданиях, а можно было всего лишь снизить мощность обогрева, тем самым, сэкономить значительные средства.

Автоматизация систем тепло — водоснабжения позволяет снизить расходы в среднем на 20−30%, что для крупных предприятий представляет существенную экономию, что особенно стало актуальным в условиях финансового кризиса.

Автоматизация систем поддержания заданных климатических условий в жилых и служебных помещениях позволяет создать комфортные условия для проживания и работы человека, осуществлять контроль, мониторинг и управление состояния используемого оборудования и климатических параметров.

Постановка задачи.

Целью дипломной работы является:.

§ разработка моделирование и программного обеспечения для поддержания заданных климатических условий в жилом или служебном помещении;

§ исследование работоспособности разработанного алгоритма и программы поддержания заданных климатических условий в помещении.

В жилой комнате или рабочем помещении необходимо поддерживать температуру в заданном диапазоне. Возможные колебания температуры являются следствием помех (открытая форточка, работа приборов, нахождение людей и т. п.). Для решения данной задачи в комнату устанавливается «кондиционер"*.

«Кондиционер»? система из двух кожухов, каждый из которых опоясан трубочками, в одни из которых при открытом вентиле (регулируется исполнительным механизмом (ИМ) Belimo) поступает холодная жидкость, а в другие? горячая. Охлажденный/нагретый в кожухах воздух нагнетается в помещение вентиляторами.

Рис. 1. Модель кондиционера.

Кондиционер работает на нагрев, если вентиль 1 открыт и работает вентилятор 1.

Кондиционер работает на охлаждение, если вентиль 2 открыт и работает вентилятор 2.

Кондиционер выключен, если оба вентиля перекрыты и оба вентилятора не работают.

Моделирование процесса поддержания заданных температурных параметров помещения осуществляется в системе Intouch. Поэтому возникает задача имитационного моделирования на стенде всех процессов, происходящих в комнате. При этом необходимо правильное соотношение процессов в комнате и на стенде. В следующей таблице 1 дается интерпретация реальных процессов, происходящих в комнате, и процессов, выполняемых на стенде с программой InTouch.

Таблица 1. Соответствие процессов в комнате и на стенде.

Обогрев комнаты имитируется нагревом лампочки.

Охлаждение комнаты имитируется отсутствием нагрева лампочки.

Механизм открытия/закрытия вентилей реализован только для обогрева, так как на учебном стенде имеется только один ИМ Belimo.

Для помещения пользователем задается температурный интервал в виде верхней и нижней границ (уставки). Считается, что этот температурный интервал является благоприятным для персонала, работающего или проживающего в нем. Задачей регулятора является поддержание этого температурного интервала в соответствии с алгоритмом в течение длительного промежутка времени. На рис. 2 показаны моменты времени включения и выключения кондиционера в зависимости от кривой изменения температуры.

Рис. 2. Моменты времени включения и выключения кондиционера.

Таблица 2 дает интерпретацию температурных установок и моментов включения и выключения оборудования в комнате и на стенде, отмеченных на рис. 2.

Таблица 2. Соответствие установок и моментов времени в комнате и на стенде.

Таким образом, необходимо реализовать следующие задачи:

1). Разработать алгоритм поддержания заданных температурных условий в помещении.

2). Разработать программу в инструментальной системе INTOUCH, работающую в соответствии с разработанным алгоритмом.

3). Использовать системную программу INTOUCH для отображения результатов работы разработанной программы. Разработанный программный регулятор загружается в контроллер и выполняется.

4). Провести эксперименты с разработанной программой на стенде и получить графические результаты, отображающие заданные температурные установки для верхней и нижней границ поддержания температуры в помещении, изменение температуры в помещении, работу исполнительного механизма Belimo.

Глава 1:Средства и объект автоматизации.

1.1 Программа Intouch.

1.1.1 Назначение комплекса INTOUCH.

InTouch — это самый быстрый и простой способ создания человекомашинных интерфейсов для систем Microsoft Windows 2000 (предпочтительный вариант) и Windows XP. Приложения InTouch используются в самых разных отраслях промышленности на всём земном шаре, включая переработку пищевых продуктов, производство полупроводников, нефтегазовую отрасль, производство автомобилей, химическую, фармацевтическую, целлюлозную промышленности, транспорт, коммунальное хозяйство и многое другое.

С помощью InTouch можно создавать многофункциональные приложения с богатыми возможностями, опирающиеся на все основные механизмы систем Microsoft Windows, включая объекты ActiveX®, OLE, графические и сетевые средства и т. д.

Возможности системы InTouch можно расширять за счёт дополнительных специальных ActiveX-объектов, мастер-средств, объектов общего вида, а также расширений на основе Quick-скриптов.

Компоненты системы InTouch.

Система InTouch состоит из следующих трёх основных компонентов: менеджера приложений, WindowMaker™ и WindowViewer™. Кроме того, в состав InTouch входит диагностическая программа Wonderware Logger..

Менеджер приложений: средство организации создаваемых приложений. В панели приложений показан список приложений данного узла, отображаемый в виде набора пиктограмм. Сведения о приложениях выводятся в виде столбцов с названиями Name (Название), Path (Путь доступа), Resolution (Разрешение экрана), Version (Версия), Mode (Режим) и Description (Описание).

Менеджер приложений позволяет указывать приложения по умолчанию. Приложение по умолчанию — это программа, которая автоматически загружается при запуске WindowViewer или WindowMaker не из менеджера приложений (например, из меню кнопки Start (Пуск) панели задач Windows).

С помощью менеджера приложений также выполняется конфигурирование WindowViewer как NT-сервиса, конфигурирование системы разработки сетевых приложений NAD (Network Application Development) для архитектур, ориентированных на клиентов и на серверы, для определения параметров динамического преобразования разрешающей способности (Dynamic Resolution Conversion, DRC) и системы распределённых алармов.

Утилиты базы данных DBDump и DBLoad запускаются из окна менеджера приложений.

WindowMaker: инструментальная среда разработки приложений InTouch с возможностями создания прикладных окон из графических объектов, реагирующих на воздействие оператора. Созданные окна могут быть подключены к производственной системе ввода/вывода и другим приложениям Microsoft Windows.

WindowViewer: исполнительная система, используемая для отображения окон, созданных в среде WindowMaker.

WindowViewer исполняет скрипты InTouch и скрипты QuickScripts, выполняет архивную регистрацию и вывод технологических данных и сведений об алармах и может исполняться как клиентское приложение, так и сервер для программ, поддерживающих коммуникационные протоколы DDE или SuiteLink.

Первый запуск InTouch.

При первом запуске программы INTOUCH. EXE на диске автоматически создаётся файл с названием INTOUCH.INI. Этот файл создаётся в том же каталоге, в котором записано приложение, и содержит конфигурационные параметры этого приложения по умолчанию. Все последующие изменения параметров приложения также записываются в этот файл..

Выполните команду Start/Programs/Wonderware/InTouch (Пуск/Программы/Wonderware/InTouch).

На экране откроется приветственное окно менеджера приложений Welcome to InTouch Application Manager:

Для открытия следующего окна нажмите кнопку Next:

Для указания другого каталога введите его в поле либо нажмите кнопку Browse (Выбор).

Введите к данное поле строку «C:»:

Нажмите кнопку Finish (Готово).

Менеджер приложений начнёт поиск в компьютере приложений InTouch. Ссылки на приложения отображаются в виде пиктограмм с названием приложения. Все остальные сведения выводятся в табличном формате.

Например

Создание нового приложения.

Для создания нового приложения нажмите кнопку New (Создать) панели инструментов менеджера приложений либо выполните команду File/New (Файл/Создать).

На экране откроется окно создания нового приложения Create New Application.

Нажмите кнопку Next (Далее) для определения каталога приложения.

По умолчанию новое приложение будет записано в каталог C: Documents and SettingsCPUNameMy DocumentsMy InTouch ApplicationsNewApp (см. рисунок).

В случае необходимости укажите другой каталог либо нажмите кнопку Browse (Выбор) для поиска требуемого каталога.

На следующем рисунке в качестве каталога приложения был указан каталог C: Program FilesWonderwareInTouch:

Нажмите кнопку Next (Далее).

В следующем окне уберите отметку опции InTouchView Application (Приложение InTouchView). Она необходима при работе с сервером производственных приложений и в данном курсе не используется.

Введите в поле Name (Название) уникальное наименование нового приложения, под которым оно будет указано в списке менеджера приложений InTouch.

В поле Description (Описание) введите произвольный текст, описывающий создаваемое приложение (см. следующий рисунок).

Нажмите кнопку Finish (Готово).

На экране снова откроется окно менеджера приложений InTouch — Application Manager, в котором будет показано название нового приложения, путь доступа (каталог хранения), а также версия, режим и описание (столбцы Version, Mode и Description). Например:

После запуска приложений WindowMaker или WindowViewer окно менеджера приложений InTouch закрывается.

Использование менеджера приложений InTouch.

Менеджер приложений используется для создания и запуска приложений InTouch, изменения их названий и удаления, а также запуска утилит InTouch DBDump™ и DBLoad™..

Запуск приложения.

Чтобы запустить какое-либо приложение, дважды щёлкните кнопкой мыши на соответствующей пиктограмме либо выделите название приложения и нажмите клавишу Enter (Ввод). (В случае выбора нового приложения программу WindowViewer запустить будет нельзя.).

Изменение названия приложения.

Чтобы изменить название приложения.

Выделите название приложения и выполните команду File/Rename (Файл/Переименовать) главного меню менеджера приложений либо;

Щёлкните на названии приложения правой кнопкой мыши и выполните команду Rename (Переименовать) появившегося меню.

Введите новое название приложения и нажмите клавишу Enter (Ввод).

Удаление ссылки на приложение.

Необходимо помнить, что в окне менеджера приложений отображаются ссылки на приложения, расположенные в разных каталогах жёсткого диска компьютера. При удалении какого-либо физического уничтожения файлов приложения и соответствующего каталога не происходит.

Уничтожение приложения InTouch с диска выполняется соответствующими командами Проводника Windows.

Чтобы удалить ссылку на приложение:

Выделите название приложения и выполните команду File/Delete (Файл/Удалить) главного меню менеджера приложений либо;

Щёлкните на названии приложения правой кнопкой мыши и выполните команду Delete (Удалить) появившегося меню.

На экране откроется окно с запросом подтверждения указанной операции. Нажмите кнопку Yes (Да) либо No (Нет).

Для включения ссылки на приложение после того, как она была удалена из списка менеджера приложений, выполните команду Tools/Find Applications (Инструменты/Найти приложения) главного меню.

На экране откроется окно указания папок Browse for Folder:

Найдите каталог, в котором необходимо выполнить поиск приложений, и нажмите кнопку OK.

На экране снова появится окно менеджера приложений с пиктограммами, соответствующими всем найденным в указанном каталоге приложениям InTouch.

Вывод свойств приложения.

Выделите название приложения в списке.

Выполните команду File/Properties (Файл/Свойства) главного меню менеджера приложений.

На экране откроется окно свойств приложения Properties:

Нажмите кнопки OK или Cancel (Отмена) для закрытия этого окна свойств.

1.3 ПИД — Регулятор

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор — устройство в цепи обратной связи, используемое в системах автоматического управления для поддержания заданного значения измеряемого параметра. ПИД-регулятор измеряет отклонение стабилизируемой величины от заданного значения (уставки) и выдаёт управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально этому отклонению, второе пропорционально интегралу отклонения и третье пропорционально производной отклонения (или, что-то же самое, производной измеряемой величины).

Рис. 12. Схема, иллюстрирующая принцип работы ПИД-регулятора.

Пропорциональная составляющая.

Пропорциональная составляющая вырабатывает выходной сигнал, противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения, наблюдаемому в данный момент времени. Он тем больше, чем больше это отклонение. Если входной сигнал равен уставке, то выходной равен нулю.

Однако при использовании только пропорционального регулятора значение регулируемой величины никогда не стабилизируется на заданном значении. Существует так называемая статическая ошибка, которая равна такому отклонению регулируемой величины, которое обеспечивает выходной сигнал, стабилизирующий выходную величину именно на этом значении. Например, в регуляторе температуры выходной сигнал (мощность нагревателя) постепенно уменьшается при приближении температуры к уставке, и система стабилизируется при мощности равной тепловым потерям. Температура не может достичь уставки, так как в этом случае мощность нагревателя станет равна нулю, и он начнёт остывать.

Чем больше коэффициент пропорциональности между входным и выходным сигналом (коэффициент усиления), тем меньше статическая ошибка, однако при слишком большом коэффициенте усиления могут начаться автоколебания, а при дальнейшем увеличении коэффициента система может потерять устойчивость.

Интегральная составляющая.

Для устранения статической ошибки используют интегральную составляющую. Она позволяет регулятору «учиться» на предыдущем опыте. Если система не испытывает внешних возмущений, то через некоторое время регулируемая величина стабилизируется на заданном значении, сигнал пропорциональной составляющей будет равен нулю, а выходной сигнал будет полностью обеспечивать интегральная составляющая.

Дифференциальная составляющая.

Дифференциальная составляющая противодействует предполагаемым отклонениям регулируемой величины, которые могут произойти в будущем. Эти отклонения могут быть вызваны внешними возмущениями или запаздыванием воздействия регулятора на систему. Чем быстрее регулируемая величина отклоняется от уставки, тем сильнее противодействие, создаваемое дифференциальной составляющей.

Теория.

Назначение ПИД-регулятора — в поддержании заданного значения x0 некоторой величины x с помощью изменения другой величины u. Значение x0 называется уставкой, а разность e = (x0?x) — невязкой или рассогласованием.

Выходной сигнал регулятора u определяется тремя слагаемыми:

где Кp, Кi, Кd — коэффициенты усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих регулятора, соответственно.

Большинство методов настройки ПИД-регуляторов используют несколько иную формулу для выходного сигнала, в которой на пропорциональный коэффициент усиления умножены также интегральная и дифференциальная составляющие.

алгоритм вентиляция климатический теплоснабжение.

Часто в качестве параметров ПИД-регулятора используются:

§ относительный диапазон.

§ постоянные интегрирования и дифференцирования, имеющие размерность времени.

Следует учитывать, что термины используются по-разному в различных источниках и разными производителями регуляторов.

1.4 Использование оборудования для кондиционирования зданий Комплексная автоматизация и диспетчеризация жилых домов уже не являются чем-то недостижимым и сверхтехнологичным в повышении уровня комфорта, безопасности, эффективности функционирования систем зданий.

1.4.1 Система технической вентиляции на базе приточной установки и вытяжного крышного вентилятора.

На рис. 13. показана механическая вентиляция жилых помещений коттеджа. Приточная вентиляционная установка обеспечивает допустимые метеорологические условия и санитарные нормы воздуха в помещениях согласно СНиП. В своем составе приточная установка имеет:

* клапан с электрическим приводом на воздухозаборе;

* фильтр для очистки воздуха от пыли;

* электрический (или водяной) калорифер для нагрева воздуха в зимний период времени;

* вентилятор;

* систему автоматики с пунктом управления.

Все перечисленные элементы смонтированы в едином металлическом звукоизолированном корпусе. Такая компактная конструкция приточной установки позволяет монтировать ее в зоне подвесного потолка в обслуживаемом помещении. В данном примере рассмотрен вариант монтажа приточной установки на техническом этаже. Обработанный воздух по сети воздуховодов поступает в обслуживаемое помещение через потолочные плафоны с регулятором расхода воздуха. Система вытяжной вентиляции решена с использованием крышного вентилятора. Аналогичные системы вентиляции смогут использоваться и в офисных помещениях при наличии подвесных потолков.

Рис. 13. Система технической вентиляции на базе приточной установки и вытяжного крышного вентилятора.

1.4.2 СКВ на базе сплит-системы с приточной вентиляцией.

На рис. 14. показано кондиционирование магазина с использованием сплит-системы с приточной вентиляцией. Наружный (компрессорно-конденсаторный) блок устанавливается на улице на стене здания (или в техническом помещении в случае комплектации наружного блока центробежным вентилятором). Внутренний блок (включающий в свой состав: фильтр, вентилятор, фреоновый охладитель, электронную панель управления, воздухонагреватель) монтируется в помещении за подвесным потолком. Свежий воздух забирается с улицы и через термоизолированный воздуховод подается в смесительную камеру, где он смешивается с воздухом, забираемым из помещения. Затем воздушная смесь фильтруется и обрабатывается во внутреннем блоке в зависимости от заданного режима (охлаждение или нагрев). Далее обрабатываемый воздух поступает в обслуживаемые помещения по системе воздуховодов через воздухораспределительные решетки. При этом никак не нарушается дизайн интерьера, т.к. все оборудование монтируется за подвесным потолком. В интерьере остаются лишь изящные декоративные решетки для подачи воздуха. Между собой внутренний и наружный блоки соединяются фреоновым трубопроводом в изоляции. Сплит-система с приточной вентиляцией, оснащенная электронной системой управления поддерживает нужные параметры микроклимата в любое время года. Летом воздуховод охдаждается, и в помещении поддерживается заданная температура. Осенью и весной кондиционер переключается в режим «теплового насоса» и эффективно подогревает воздуховод без включения колорифера. Если температура наружного воздуха опускается ниже 0 °C, включается дополнительный колорифер. Электронный модуль управления колорифера позволяет плавно регулировать его мощность в зависимости от температуры наружного воздуха, что обеспечивает минимальное потребление электроэнергии. Для создания воздушного баланса в помещениях магазина предусмотрена вытяжная вентиляция с применением канального вентилятора.

Рис. 14. СКВ на базе сплит-системы с приточной вентиляцией.

1.4.3 СКВ на базе «чиллера-фанкойлов» и система приточно-вытяжной принудительной вентиляции здания гостиницы.

Рассмотрен вариант установки центрального кондиционера в подвале, а чиллера и насосной станции — на кровле здания. В данной системе используются фанкойлы скрытой установки в фальш-потолке. Наружный воздух поступает в кондиционер через воздухозаборную шахту на высоте 2-х метров от уровня земли. Охлажденный (летом) или нагретый (зимой) в кондиционере воздух по системе воздуховодов подается к каждому фанкойлу. С помощью фанкойлов обеспечивается индивидуальное поддержание заданной температуры в каждом помещении. В свою очередь, теплообменник центрального кондиционера снабжается охлажденной водой (или этиленгликолем) от чиллера. Циркуляцию воды в системе «чиллер-фанкойлы — теплообменник центрального кондиционера» обеспечивает насосная станция, также, как и чиллер, установленная на кровле здания, и регулирует индивидуальный тепловой режим в каждом помещении. Фанкойлы в данном случае работают на смеси наружного и рециркуляционного воздуха. Удаление воздуха из санузлов и умывальных комнат осуществляется по сети воздуховодов централизованно крышным вентилятором, установленным на кровле здания.

Рис. 15. СКВ на базе «чиллера-фанкойлов» и система приточно-вытяжной принудительной вентиляции здания гостиницы.

1.4.4 СКВ на базе кондиционера «сплит-системы с приточной вентиляцией» и система естественной вытяжной вентиляции коттеджа.

Кондиционер сплит-системы с приточной вентиляцией состоит из внутреннего (испарительного) и наружного (компрессорно-конденсаторного) блоков. В данном примере использован компрессорно-конденсаторный блок с центробежным вентилятором. Он размещен на техническом этаже. Для его охлаждения воздух забирается с улицы. Внутренний блок установлен на техническом этаже и работает на смеси наружного и рециркуляционного воздуха. Охлаждение воздуха летом осуществляется с помощью фреонового воздухоохладителя, а подогрев воздуха зимой — с помощью водяного (или электрического) калорифера. В данном случае используется водяной калорифер, работающий в период отопления от газового котла. Забор наружного воздуха в кондиционер и раздача его по помещениям осуществляются по сети воздуховодов. Воздух для охлаждения конденсатора подается центробежным вентилятором по системе воздуховодов. Для компенсации приточного воздуха из помещений санузлов и кухни предусмотрена вытяжная вентиляция.

Рис. 16. СКВ на базе кондиционера «сплит-системы с приточной вентиляцией» и система естественной вытяжной вентиляции коттеджа.

Глава 2: Математические модели климатических условий для зданий и помещений.

2.1 Применяемые модели кондиционирования воздуха.

Рассмотрим несколько математических моделей.

Модель 1.

Для моделирования процессов теплоснабжения зданий для прогнозирования температуры воздуха в помещениях, построена математическая модель температуры воздуха в помещении. На примере строений, входящих в комплекс ЛГТУ, проведен пассивный эксперимент по изучению свойств циркулирующего в системе отопления теплоносителя, разработаны необходимые модели факторов.

Формула для температуры воздуха в помещении, предложенная во ВНИИГС, интерпретирована в качестве модели температуры воздуха в помещении общественного здания. Заменив входящие в неё фактические значения расходов и температур циркулирующего теплоносителя их соответствующими оценками, получаем.

(1).

где — оценка средней температура воздуха в помещении в момент времени , — оценки температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно; - оценка расхода теплоносителя в подающем трубопроводе; - параметры модели, вычисляемые на основе экспериментальных данных.

Зная значения оценок, и имея идентифицированную по параметрам модель (1), можно вычислить прогноз средней температуры воздуха в помещении (рис. 17). Для получения значений оценок технологических параметров, , входящих в структуру модели (1) в произвольные моменты времени, необходимо исследование характера поведения этих параметров, то есть построение соответствующих математических моделей этих величин. Для этого необходимо проанализировать систему теплоснабжения объекта исследования и воспользоваться результатами пассивного эксперимента.

Рис. 17. Схема использования модели температуры воздуха в помещении.

Теплоснабжение зданий комплекса осуществляется через два ЦТП, каждый из которых подключен к внешней тепловой сети и размещен на территории учебных корпусов. Выбранная в качестве объекта исследования система теплоснабжения является сложной распределенной системой. Практически в качестве единственного источника достоверной информации о характере её функционирования выступает система приборного контроля параметров теплоснабжения, позволяющая своевременно получать данные о свойствах циркулирующего теплоносителя. В результате структурного анализа участка исследуемой системы теплоснабжения, подключенного к центральному тепловому пункту № 2, состоящему, в свою очередь, из двух теплосистем, сформирован перечень моделей, необходимых для описания поведения объекта теплопотребления (рис. 18):

— модель средней температуры воздуха в исследуемом помещении-абоненте теплосистемы № 1 на (МТВ-1);

— модель средней температуры теплоносителя в подающем трубопроводе (МТП);

— модель среднего расхода теплоносителя в подающем трубопроводе теплосистемы № 1 (МРП-1);

— модель среднего расхода теплоносителя в подающем трубопроводе теплосистемы № 2 (МРП-2);

— модель средней температуры теплоносителя в обратном трубопроводе теплосистемы № 1 на (МТО-1);

— модель средней температуры теплоносителя в обратном трубопроводе теплосистемы № 2 на (МТО-2).

Рис. 18. Структурная связь модели температуры воздуха в помещении и технологических параметров теплоснабжения.

Для температуры теплоносителя в подающем трубопроводе, отражающего регулирование по температурному графику на уровне теплоподающей организации, предложена модель следующего вида.

где — параметры модели, — ряд первых разностей ряда .

Для диапазона наружных температур начальные оценки параметров модели и их количество вычислим, учитывая то, что временной ряд, на основании которого строится модель — случаен, а его отдельные участки на интервале стационарны и независимы от значений температуры наружного воздуха.

Частная автокорреляционная функция обрывается на задержке, отсюда структура МТП формулируется в виде авторегрессионной модели.

(2).

где — ошибка прогноза на предыдущем шаге, а восстановленный прогноз выражается в виде .

Средства автоматизации, установленные в теплосистеме № 2 и в зависящей от неё теплосистеме № 1, поддерживают режим, при котором величина расхода теплоносителя в подающем трубопроводе выбирается в зависимости от температуры наружного воздуха, температуры в подающем трубопроводе и температуры в обратном трубопроводе. После исследования линейных статистических связей и анализа выборочных взаимных корреляционных функций структуру МРП-1 можно записать в виде.

(3).

где индекс значит, что параметр связан с теплосистемой № 1 на ЦТП-2.

Оценка, в свою очередь, также связана со значениями величин, ,. Такая связь обусловлена тем, что при уменьшении температуры наружного воздуха воздух в помещениях остывает быстрее, и соответственно увеличивается тепловой напор, вызывающий ускоренное снижение температуры в обратном трубопроводе, а количественным регулированием значения расхода система автоматического управления подачи тепла добивается поддержания заданного температурного графика, осуществляя управление теплоподачей на уровне ЦТП. Отмечается, что кроме рассмотренных в (3) связей необходимо учесть коррелированность последовательных значений температуры в обратном трубопроводе, а также то, что значение на самом деле определяется реальным теплопотреблением объекта, поэтому аддитивно включим в модель поправку, учитывающую среднюю скорость ветра. Окончательное выражение для с учетом ветровой нагрузки в предыдущий интервал времени запишется в виде.

(4).

Рассмотренный подход к построению модели температуры воздуха в помещении и моделей температур и расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах с учетом специфики систем автоматического регулирования теплоснабжения может быть использован для описания поведения параметров на индивидуальных и центральных тепловых пунктах и теплосистемах других общественных зданий.

Модель 2.

Методология исследования и оценки автоматизированных систем теплоснабжения.

Снижение затрат на электроэнергию среди населения Экв. Гвинеи весьма актуальный вопрос, особенно сейчас, когда цены на теплоснабжение зданий и помещений увеличиваются из года в год. Более того, довольно переменчивый климат страны и работа государственных служб теплои водоснабжения «оставляют желать лучшего» по мнению 67% потребителей. Создание уникальной системы теплопередачи и кондиционирования — одна из ключевых потребностей современного Гвинеийского общества. С экономической точки зрения необходимо просчитать будет ли выгоден переход на такие системы для страны и для каждого человека в отдельности.

Таким образом, в данной работе будет представлена эконометрическая модель, которая позволит определить факторы, наиболее благоприятно влияющие на распространение автоматизированных систем теплоснабжения (АСТ). Прим. Далее везде АСТавтоматизированные системы теплоснабжения.

Данная цель будет достигнута посредством решения следующих задач:

· Анализ и выбор переменных, характеризующих рынок АСТ.

· Построение эконометрической модели.

· Сравнение результатов исследования с работами зарубежных ученых.

· Разработка практических рекомендаций по внедрению и распространению АСТ среди населения Экв.Гвинеи.

Работа состоит из нескольких этапов:

· Сбор и обработка статистических данных.

· Анализ информации в пакете STATA 11.0.

· Интерпретация результатов и выявление перспектив развития АСТ.

Обоснование выбора переменных.

К сожалению, в открытом доступе содержится катастрофически мало информации, которую можно использовать для анализа динамики показателей в энергетической отрасли по Гвинеи. Соответственно, для построения аналитической модели будут использоваться данные Федеральной службы государственной статистики www.gks.ru и различных аналитических агентств и опросов. Итак, были отобраны следующие статистические данные по 2 регионам Экв. Гвинеи за пять лет (2008;2012гг):

· Стоимость услуг по передаче электроэнергии.

· Количество кондиционеров и «примитивных» АСТ (в расчете на 1 семью по региону).

· Численность пользователей АСТ, среди населения.

· Доход на душу населения.

· Затраты на установку и обслуживание АСТ Перейдем к более детальному рассмотрению каждого фактора и формированию гипотез и выдвижению различных предположений.

Так, в качестве зависимого фактора в модели будет выступать «количество кондиционеров и АСТ». Выбор данного фактора в качестве зависимого не случаен, т.к. он дает адекватную оценку масштабов рынка систем теплоснабжения и распространенность среди населения.

В качестве одной из независимых переменных мы рассматриваем «стоимость услуг по передаче электроэнергии». В некоторых иностранных исследованиях была замечена отрицательная взаимосвязь между этой переменной и фактором. Это не противоречит и здравому смыслу: чем выше стоимость услуг по передаче электроэнергии, тем меньше кондиционеров и АСТ будет установлено в зданиях. Так, может быть сформирована следующая гипотеза:

Н1: стоимость услуг по передаче электроэнергии влияет на количество установленных кондиционеров и АСТ.

Модель 3: Системы вентиляции с управлением по уровню CO2.

При проектировании систем вентиляции в офисных зданиях наибольшее внимание, как правило, уделяется энергосбережению, в то время как вопросы здоровья и работоспособности сотрудников, а также эксплуатационные расходы по поддержанию работоспособности вентиляции практически выпадают из рассмотрения. Системы вентиляции с управлением по уровню CO2 (DCV) охватывают все перечисленные вопросы в комплексе.

В любом здании существует как минимум два источника загрязнения. Первым источником являются собственно строительные материалы, применяемые при возведении здания, дающие более 50% всех загрязнений. Вторым источником являются выделения, образующиеся в результате жизнедеятельности людей внутри здания. Именно этот фактор, являясь переменной величиной, определяет необходимость автоматического изменения скорости воздушного потока в помещениях, рационального использования электроэнергии и, в конечном счете, возможность снижения эксплуатационных расходов. Поскольку уровень CO2 в помещении является одним из основных критериев присутствия там людей, он и был взят за основу при проектировании системы DCV.

Стандарт ASHRAE 62−2001 «Вентиляция для обеспечения приемлемого качества воздуха внутри помещений» определяет минимальные требования к вентиляции помещений, необходимой для обеспечения приемлемого качества воздуха внутри помещений. Чтобы соответствовать этому стандарту, система вентиляции должна обеспечивать надлежащее растворение присутствующих в помещении загрязнителей. Однако, поскольку приемлемый уровень CO2 в стандарте не указан, каких-либо однозначных критериев, определяющих соотношение уровня CO2 и объема поступающего в помещение воздуха, не имеется.

Рис 21. Модель двухкамерной системы и расчет объема поступающего воздуха Уравнение расчета приточного воздуха:

V0=N/(CS-C0).

где: V0 — объем приточного воздуха из расчета на одного человека;

VE — скорость дыхания;

N — объем выделения СО2 из расчета на одного человека;

СE — концентрация СО2 выдыхаемом воздухе;

СS — концентрация СО2 в помещении;

С0 — концентрация СО2 в поступающем воздухе;

Чтобы установить эту взаимосвязь, предлагаем рассмотреть математическую модель, описывающую изменение уровня CO2 и принять некоторые допуски в этом плане. Взаимосвязь между уровнем CO2 и скоростью воздушного потока может быть описана при помощи простейшей двухкамерной модели, приведенной на рис. 21. Данная модель устанавливает соотношение уровня CO2 (внутри помещения и вне его) к объему воздуха из расчета на одного человека при выполнении следующих условий:

· находящиеся в помещении люди производят постоянное количество CO2, обозначенное N (в литр/сек на одного человека), то есть обмен веществ, рацион и уровень активности идентичны;

· концентрация CO2 в наружном воздухе обозначается как Co Воздух подается в помещение в постоянном объеме Vo (в литр/сек на одного человека);

· уровень CO2 внутри помещения обозначен как Cs и является показателем степени заселенности зоны обслуживания.

При скорости V=7,5 литр/сек, при предполагаемом уровне выделения CO2 N=0,31 литр/мин на человека получаем, что уровень CO2 внутри помещения приблизительно на 700ppm выше уровня CO2 вне помещения. Учитывая разницу в уровне CO2, получаем:

Cs — Co = N/V.

Или 0,31/(7,5?60 л/мин) = 700 ppm.

Эти расчеты представляют собой математическое обоснование требований к вентиляции для обеспечения комфортных условий работы в помещении. Проведенные исследования показали, что для устранения находящихся в воздушной среде продуктов жизнедеятельности человека необходим воздушный поток, имеющий скорость 7 литр/сек. на человека.

Полученное же в расчетах значение 700 ppm является уровнем CO2, описанным в стандарте ASHRAE 62−2001: «Условия воздушной среды, связанные с содержанием в воздухе продуктов жизнедеятельности человека, считаются комфортными, если система вентиляции обеспечивает уровень CO2 в помещении ниже 700 ppm над уровнем CO2 вне помещения» .

Рисунок 22. Зависимость выделения CO2 от уровня физической активности Как уже говорилось, более 50% всех загрязнителей воздуха в помещении не являются следствием жизнедеятельности человека и не могут определяться лишь при помощи контроля уровня CO2.

Разница в 700 ppm прекрасно подходит для оценки зоны обслуживания на предмет адекватной вентиляции помещения и устранения продуктов жизнедеятельности из воздушной среды в соответствии с требованиями соответствующего стандарта. Принятый в модели уровень выделения CO2 основан на минимальном уровне физической активности (0,31 л/мин на человека). Поэтому любое увеличение уровня активности сотрудников офиса (N) вызовет рост соотношения уровня CO2 в помещении, полученного в расчете, и может отрицательно сказаться на ожидаемом снижении эксплуатационных затрат.

Точность результатов будет выше при условии постоянной скорости воздушного потока и неизменном количестве находящихся в офисе сотрудников. Но такой метод лучше всего подходит для бытовой экспресс-диагностики состояния воздушной среды в закрытых помещениях. Как показано на рисунке 22, уровень CO2 колеблется в зависимости от уровня физической активности находящихся в помещении людей. К тому же, он напрямую зависит от их рациона питания и состояния здоровья. Поэтому пренебрежение этими факторами чревато серьезными погрешностями в расчетах.

Система DCV, предназначена для применения в динамически меняющихся условиях, которые не всегда можно описать с помощью функциональной математической модели. Например, очень важно в каком месте установлен датчик CO2 и его характеристики.

При установке датчиков CO2 важно обращать внимание на следующие технологические параметры:

· погрешность;

· точность измерения;

· устойчивость к воздействию температуры;

· пылеи влагозащищенность;

· устойчивость к воздействию солнечных лучей;

· частота настройки;

· устойчивость к механическим вибрациям;

· устойчивость к электрическим помехам;

· места размещения датчиков;

· количество датчиков;

· методика усреднения результатов замера группой датчиков;

· совокупной погрешности измерений группы датчиков.

Уровень CO2 на улице во многом зависит от географического расположения и времени года. Его обычно не измеряют, поскольку имеющиеся датчики CO2 обладают большой погрешностью при высоких скоростях воздушного потока и плохо функционируют при низких температурах. Но при отсутствии внешних датчиков, система DCV позволяет решить проблему недостаточной вентиляции воздуха внутри помещения при помощи специальных датчиков скорости воздушного потока, поступающего в систему извне. Они позволяют устанавливать минимальный уровень скорости потока при отсутствии людей в помещении и максимальный уровень по достижению предельно допустимого уровня CO2 в офисе.

При повышении температуры выше 18,3°C, уровень влажности в конструкциях с отрицательным давлением может превышать 70%, то есть минимальный уровень влажности, при котором может образовываться плесень, негативно влияющая на прочность несущих конструкций здания. Известно также, что большинство видов плесени выделяют аллергены, а некоторые могут быть токсичными для человека. Результаты последних исследований показали, что темпы роста плесени зависят от давления внутри здания. Если системы вентиляции не обеспечивают достаточный приток свежего наружного воздуха и положительной разницы между объемом поступающего и отводимого воздуха, в здании развивается плесень.

В этой связи, проектировщикам рекомендуется уделять особое внимание системам поддержания необходимого давления в помещении при использовании регулируемых систем вентиляции — с управлением по уровню CO2 или каких-то других. Погрешность оценки величины воздушного потока, необходимого для создания положительного давления снижается при уменьшении общего объема поступающего в помещение воздуха, что делает чрезвычайно важной точность регулирования входящего потока воздуха.

Таким образом, снижение эксплуатационных и энергозатрат за счет установки современной системы вентиляции DCV с регулировкой воздушного потока по уровню CO2 возможно только в том случае, когда количество сотрудников в помещении и необходимый объем подаваемого воздуха определены с достаточной точностью, и, кроме того, существует возможность поддержания постоянного давления в здании. Успешное внедрение такой системы зависит также от надежности датчиков и совершенства методики измерений.

Глава 3. Разработка алгоритма и реализация программы.

3.1. Разработка системы оперативного управления.

Компонентами системы оперативного управления являются программное обеспечение нижнего и верхнего уровня.

В инструментальной системе КОНГРАФ, опираясь на функциональную схему, схему подключения ко входам/выходам контроллеров и описания алгоритма, производится разработка алгоритма на языке функционирования блоков и его отладка с помощью симулятора. При достаточной квалификации разработчика, невысокой сложности алгоритма, отсутствии ошибок можно не использовать симулятор.

Далее отлаженный алгоритм транслируется в исполнительный двоичный код.

Отлаженный алгоритм загружается с помощью программы КОНСОЛЬ в контроллеры.

Разработанное программное обеспечение нижнего уровня тестируется.

На верхнем уровне программного обеспечения строится система оперативного управления.

При построении системы оперативного управления создается мнемосхема объекта управления и наблюдения и производится привязка ее к контроллерам в системе КОНТАР-АРМ и SCADA-системе.

Схема, которой можно руководствоваться при разработке алгоритмического и программного обеспечения информационной системы на базе контроллеров КОНТАР, показана на рис. 23.

Рис. 23. Разработка алгоритмического и программного обеспечения информационной системы на базе контроллеров КОНТАР.

3.2 ПИД-регулятор из инструментальной системы КОНГРАФ.

ПИД ИМП Р — ПИД-Регулятор импульсный с ручным управлением.

Параметры.

Информация по использованию Алгоблок используется при построении ПИД-регулятора, работающего совместно с исполнительным механизмом постоянной скорости.

Алгоблок вычисляет рассогласование E по формуле.

E=SP-PV.

где SP (задание) и PV (регулируемый параметр) — входные величины.

При этом входной параметр фильтруется с постоянной времени TF.

Алгоблок позволяет поддерживать регулируемый параметр с точностью, близкой к величине DZONE (рекомендуется устанавливать в диапазоне от 0.5 до 1%). Скорость приближения регулируемого параметра к заданному значению определяется быстродействием объекта, а также правильностью настройки параметров KP и TI регулятора.

Величину TP рекомендуется выбирать таким образом, чтобы перемещение исполнительного механизма за один импульс равнялось 0.5−1%. Для исполнительного механизма с временем полного хода, равным Тм=100сек, значение TP соответствует 0.5 … 1 сек. Если время полного хода Tм отличается от 100 сек, то для вычисления TP можно использовать следующую формулу:

Tp=(0.005*Тм … 0.01*Тм) сек В состав алгоблока входят следующие элементы:

РАЗНОСТЬ — для вычисления величины рассогласования;

ФИЛЬТР — для фильтрации регулируемого параметра;

ЗОНА НЕЧ — для формирования зоны нечувствительности регулятора;

ПИД'-регулятор — основной элемент;

трехпозиционный широтно-импульсный модулятор (ШИМ) — для преобразования выхода регулятора в последовательность импульсов.

Данный алгоблок и подключенный к его выходу исполнительный механизм постоянной скорости, интегрирующий выходные импульсы алгоблока, реализуют алгоритм ПИД-регулятор.

Зависимость выхода от входа для элемента ЗОНА НЕЧ :

если |X| < DZONE/2, то Вход ПДД'=0;

если Х >= DZONE/2, то Вход ПДД'=Х-(DZONE/2);

если Х <= -(DZONE/2), то Вход ПДД'=Х+(DZONE/2).

Таким образом, изменение сигнала отклонения внутри зоны нечувствительности никакого влияния на алгоритм регулятора не оказывает.

Передаточная функция ПИД-регулятора (совместно с исполнительным механизмом) где: Кп=KP*100/Ts.

Ts — время полного хода исполнительного механизма от полного закрытия до полного открытия, Кп — коэффициент пропорциональности.

Td — постоянная времени дифференцирования (Td=D*Ti).

Работа ПИД-регулятора:

Если разорвать обратную связь от объекта на регулятор и скачкообразно изменить входной сигнал Х, то реакция регулируемого параметра будет следующей:

Для управления исполнительным механизмом формируются импульсы на выходах алгоблока Z1 и Z2. В частном случае (при D=0), реакция регулятора на скачок сигнала рассогласования X, будет следующей После окончания первого импульса длительность интегральных импульсов — величина постоянная, равная ТР. Длительность пауз зависит от величины постоянной интегрирования TI, коэффициента пропорциональности КР и величины рассогласования Х.

При смене знака рассогласования первый импульс увеличивается на время, равное B (времени люфта исполнительного механизма).

Входы OPEN и CLOSE задействуются только в ручном режиме (при MANUAL = 1).

Если OPEN=1 (полностью открыть ИМ), то Z1=1 и Z2=0.

Если CLOSE=1 (полностью закрыть ИМ), то Z1=0 и Z2=1.

Если OPEN=1 и CLOSE=1, то Z1 = 0 и Z2 = 0.

Если OPEN=0 и CLOSE=0, то Z1 = 0 и Z2 = 0.

3.3 Алгоритм моделирования поддержания заданных климатических условий в помещении.

Опишем разработанный алгоритм моделирования механизма поддержания заданных климатических условий с помехами в помещении без использования ПИД-регулятора из библиотеки инструментальной системы КОНГРАФ, реализованный на учебном стенде КОНТАР.

1. Снимаем данные с датчика температуры в помещении (терм 10к) и значение с ИМ Belimo в вольтах и преобразуем В в проценты (НАПРЯЖЕНИЕ, ФИЗ ВЕЛ ОГ).

2. Реализуем механизм температурной помехи (СУММА и РАЗНОСТЬ).

3. Производим сравнение с нижней и верхней уставками (КОМПОРАТОРЫ).

4. Если температура меньше нижней уставки, то включаем красную индикаторную лампочку на стенде (соединяем выход алгоблока с соответствующим выходом контроллера) и выдаём управляющее воздействие на Belimo для открытия (ПРЕОБР Л-А, УМНОЖЕНИЕ, ЗДН АН, ФИЗ ВЕЛ ОГ).

5. Если температура выше верхней уставки, то включаем зелёную индикаторную лампочку на стенде (соединяем выход алгоблока с соответствующим выходом контроллера) и выдаём управляющее воздействие на Belimo для закрытия (ПРЕОБР Л-А, УМНОЖЕНИЕ, ЗДН АН, ФИЗ ВЕЛ ОГ).

6. Если температура находится в промежутке между верхней и нижней уставкой, то система поддерживает температуру, впервые зафиксированную в этом промежутке (НЕ, И, ПАМЯТЬ АН, КОМПАРАТОР НИЖ).

3.4 Блок-схема программы с алгоритмом моделирования.

Приведем блок-схему для разработанного алгоритма моделирования механизма поддержания заданных климатических условий с помехами в помещении, реализованную для учебного стенда с контроллерами КОНТАР.

Блок-схема позволяет реализовать механизм произвольной по величине и знаку температурной помехи (прямоугольная ступенька), имеющей место при открывании окон, дверей, включении и выключении бытовых приборов, при возникновении аварийных и чрезвычайных ситуаций, нахождении в помещении разного количества человек.

Рис. 24. Блок-схема алгоритма моделирования поддержания заданных климатических условий в помещении.

На блок-схеме блоки, обозначенные как конец цикла 9, 10, 11, осуществляют передачу управления на блок, обозначенный как начало цикла 1.

3.5 Конфигурация аппаратного обеспечения нижнего уровня.

На стенде имитационного моделирования, который называется, Щит автоматики, изготовленный ЗАО «МЗТА-Инжиниринг, имеется всего 4 микроконтроллера КОНТАР.

Рис. 25. Стенд с контроллерами — «Шит автоматики».

Для реализации поставленной задачи с учетом соединения контроллеров, датчиков и исполнительных механизмов на учебном стенде нужно использовать 3 контроллера: МС8, МС5 и MR8.