Автоматическое управление материальными потоками в инженерных системах жизнеобеспечения

Практически все современные системы жизнеобеспечения (водоснабжения и водоотведения, тепло газоснабжения и вентиляции, получения побочных продуктов и утилизации отходов) состоят из большого числа разнотипных аппаратов и сооружений, связанных между собой технологической схемой. Характер этих связей может быть весьма различным: природные и сточные воды, технологические и вентиляционные выбросы, суспензии и сброженные осадки обрабатываемые в одних аппаратах, поступают в следующие по ходу процесса сооруженияпобочные продукты очистки, получаемые на одном участке системы, утилизируются на другомисходные, промежуточные и конечные материальные потоки распределяются между различными потребителями.

Задача автоматизации управления такими инженерными системами состоит не только в том, чтобы поддерживать наиболее эффективный режим в каждом аппарате или сооружении в отдельности, но и в том, чтобы установить между элементами технологической схемы связи, обеспечивающие оптимальную работу всей системы в целом.

Практическое решение всей комплексной задачи управления такой сложной системой связано с большими трудностями, причиной которых является высокая размерность исходной задачи. Поэтому обычно общая задача автоматизации управления разбивается на несколько подзадач, при этом создается многоуровневая система управления, так называемая интегрированная АСУ ТП. В этих многоуровневых системах подсистемы управления материальными потоками играют роль нижнего высокочастотного каскада. В коммунальном хозяйстве больших городов и в системах технического водоснабжения крупных промышленных* предприятий и промузшв обычно насчитывается несколько десятков, а иногда и сотен, таких подсистем.

Качество управления материальными потоками в таких системах существенно влияет на точность отработки управляющих воздействий в АСУ ТП, а значит и на качество управления технологическими процессами на верхних уровнях иерархии. Кроме того, нестабильность потоков вызывает ухудшение режимов работы многих агрегатов и сооружений, что связано с дополнительными непроизводительными затратами реагентов и энергии.

Свойства обрабатываемых потоков воды, ила, осадков, пульп и газопылевых выбросов весьма неблагоприятны для реализации автоматических измерений и управляющих воздействий. В этих условиях надежность, живучесть и энергоемкость подсистем управления материальными потоками во многом определяют эксплуатационные характеристики всей интегрированной АСУ ТП. Однако до настоящего времени не исследована зависимость эффективности управления инженерными системами жизнеобеспечения от структуры подсистем и способов управления материальными потоками, вследствие чего отсутствуют научно-обоснованные методы синтеза этих подсистем.

Таким образом, задачи исследования и разработки алгоритмов и систем управления материальными потоками являются актуальными и важными для развития и совершенствования АСУ ТП жизнеобеспечения, повышения их эффективности и улучшения эксплуатационных характеристик.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с учебным планом обучения в аспирантуре и планами НИР и ОКР кафедры Автоматизации инженерно-строительных технологий Московского государственного строительного университета в рамках межвузовской программы «Градостроительные основы архитектуры и строительства» (задание 7.2 — Разработка энергои ресурсосберегающих технологий и конструкций высокоэффективных систем водоснабжения и водоот-ведения, кондиционирования микроклимата и теплоснабжения) и межвузовской научно-технической программы «Строительство» (научное направление 7.1 — Совершенствование систем водо-, газе-, теплои энергоснабжения населенных пунктов, зданий и сооружений).

День работы — обобщение и развитое с единых теоретических позиций методики выбора экономически целесообразного варианта управления материальными потоками в автоматизированных инженерных системах жизнеобеспечения и ее апробация на примере эксплуатации оборотных охлаждающих систем водоснабжения.

Для достижения поставленной цели: выполнен анализ взаимодействия подсистем управления потоками воды и воздуха с подсистемами более высоких уровней иерархии АСУ ТПпроизведена декомпозиция задачи синтеза подсистем управления потоком воды на автономно решаемые подзадачи выбора экономически рационального способа реализации управляющего воздействия на поток и структурного синтеза подсистемыразработана и исследована методика обоснованного выбора на стадии проектирования объекта технического обеспечения систем управления потоками воды и воздуха с учетом энергоемкости управления и эксплуатационных затратисследованы особенности центробежных насосов и воздуходувок как объектов управления и сформулирована задача оперативной оптимизации работы насосных и воздуходувных станций путем распределения нагрузок между параллельна работающими нагнетателямиизучены существующие методы и модели решения задачи распределения нагрузок в инженерных и электрических сетях и на основании графического метода предложены алгоритмы управления для центробежных нагнетателей одинакового и различного типовисследованы особенности функционирования охладительных систем оборотного водоснабжения и обоснован выбор схемы и средств автоматического контроля и управленияразработан способ автоматическою управления качеством охлаждения воды в градирнях, для реализации которого вместо линейной предложена кусочно-линейная аппроксимация статической характеристики объекта.

В перечисленных теоретических исследованиях и практических разработках использованы методы физического и математического моделирования технологических процессов и электроприводов нагнетателей, методы проектной и оперативной оптимизации и линейного синтеза систем управления, а также решения систем уравнений оптимального распределения нагрузок между параллельно работающими машинами и аппаратами. Вычислительные эксперименты реализовывались с помощью персональных компьютеров.

Научной новизной обладают следующие основные результаты проведенных исследований: метод определения затрат энергии на управление материальными потоками с учетом нестационарной составляющей этих затрат, зависящей от дисперсии колебаний управляемого потока воды или воздухаспособ выбора целесообразного технического обеспечения управления материальными потоками, основанный на учете эксплуатационных характеристик и величины энергетических затраталгоритм оптимального распределения нагрузок в насосных и воздуходувных станциях, учитывающий выпуклость непрерывной характеристики изменения потребляемой мощности от нагрузки, а также количество, тип и производительность нагнетателейспособ и устройство для автоматического управления качеством воды в оборотных охлаждающих системах водоснабжения, в которых для получения более точных результатов линеаризованный объект имеет переменный коэффициент усиления.

Значимость перечисленных выше результатов для практики автоматизации технологических процессов в инженерных системах жизнеобеспечения заключается в том, что они являются теоретической базой для научно-обоснованного выбора способа и структуры подсистем управления материальными потоками на стадии проектирования при создании новых и модернизации действующих АСУТП.

Внедрение схем автоматизации на водообрабатывающих технологических комплексах с применением указанных результатов исследований позволит, как показывают наши расчеты, снизить эксплуатационные затраты (затраты электроэнергии) более чем на 15%.

Результаты работы отражены в 10 публикациях автора, докладывались и обсуждались на 4-х научно-технических конференциях, а также заседаниях технического совета Научно-производственного центра «Энерготех» и научных семинарах кафедры Автоматизации инженерно-строительных технологий Московского государственного строительного университета.

Автор выражает глубокую признательность заведующему этой кафедрой д.т.н., проф. А. А. Рульнову за общее и научное руководство работой.

На основании результатов исследований и разработок автор выносит на защиту следующие основные положения.

1. Экономически обоснованный синтез подсистем управления материальными потоками (нижних высокочастотных каскадов иерархических АСУ ТП жизнеобеспечения) должен производится с учетом влияния работы этих подсистем на качество управления технологическими показателями, стабилизируемыми среднечастотными подсистемами АСУ ТП, которые формируют сигналы изменений заданий подсистем управления потоками, а также с учетом энергоемкости управления и качества стабилизации потоков. Задачу синтеза следует разделить на две автономно решаемые подзадачи: выбора способа реализации управляющего воздействия на поток и выбора оптимальной структуры подсистемы.

Настоящая работа посвящена решению первой из сформулированных подзадач.

2. Среди затрат на управление, сопоставляемых при выборе способа технической реализации управляющих воздействий на материальный поток (дросселирование потока с помощью регулирующего органа или изменение скорости автоматизированного электропривода нагнетателей), важнейшими являются энергозатраты на управление. При их вычислении необходимо учитывать не только стационарную составляющую, зависящую от паспортных параметров нагнетателей с автоматизированным электроприводом и расчетных характеристик гидравлической сети, но и нестационарную составляющую, пропорциональную дисперсии колебаний управляемого потока. Вес этой составляющей определяется аналитическим выражением, связывающим ее с указанными параметрами насосного или воздуходувного агрегата и сети.

3. Характеристики центробежных нагнетателей, отражающие зависимость потребляемой мощности от нагрузки, имеют вид непрерывных выпуклых кривых, поэтому решение задачи оптимального распределения нагрузки между параллельно работающими насосами и воздуходувками возможно, как численными и графическими методами, так и с помощью электрических моделей и аналоговых вычислительных машин (в том числе градиентным методом).Поскольку паспортные характеристики нагнетателей, как правило, представляются в виде графиков, для оперативной оптимизации насосных и воздуходувных станций наиболее целесообразным следует считать использование графического метода, в соответствии с которым для построения суммарной характеристики нескольких параллельно работающих нагнетателей необходимо складывать абсциссы характеристик, соответствующие точкам с одинаковыми напорами. Пересечение суммарной характеристики с характеристикой гидравлической сети определяет общую производительность и напор системы.

4. Оптимальное распределение нагрузок между параллельно включенными насосами должно обеспечивать заданную производительность при минимальных затратах электроэнергии. С учетом особенностей эксплуатации нагнетателей задачу оперативной оптимизации следует ставить, как нахождение нагрузки насосов или воздуходувок, минимизирующей затраты электроэнергии, при условии что: суммарная нагрузка всех нагнетателей равна заданной производительности системы (ограничение типа равенства) — напор, создаваемый каждым нагнетателем, должен быть не меньше сопротивления гидравлической сети (ограничение максимальной нагрузки типа неравенства) — устойчивая работа насоса обеспечивается только при нагрузках больших значения экстремально возможного напора (ограничение минимальной нагрузки типа неравенства).

5. В инженерных системах жизнеобеспечения эксплуатируются насосные и воздуходувные станции как с однотипными нагнетателями, так и с нагнетателями разных типов, что приводит к необходимости создания двух различных алгоритмов управления. Результаты исследований и разработок, защищающие положения 3−4, показывают, что: при управлении группой параллельно включенных нагнетателей одинакового типа необходимо вначале снижать нагрузку на одном произвольно выбранном аппарате, начиная с максимально допустимой до минимально допустимой. и после его разгрузки разгружать следующий и т. д.- при управлении группой параллельно включенных нагнетателей разного.

10 типа следует максимально нагружать одни аппараты, минимально нагружать другие, полностью выключать из работы третьи и частично загружать один из нагнетателейв случае если общая нагрузка близка к максимальной, снижать следует нагрузку того нагнетателя, производная характеристики которого имеет наибольшее значение.

6. Оборотные охлаждающие системы, будучи самыми водоемкими системами водоснабжения, эксплуатируются с неоправданно завышенными расходами свежей воды, реагентов и сбрасываемой на продувку высокоминерализованной воды. Лучшим способом повышения эффективности этих систем является их автоматизация по качественным параметрам, наиболее рациональным из которых считается величина удельной электрической проводимости. Однако, в связи с отсутствием надежных серийных средств автоматического контроля этой величины, в схемах автоматизации чаще других используются системы управления по величине рН. С целью повышения качества работы последних представляется целесообразным применять специальные системы автоматического управления либо систему с двумя регулирующими клапанами, при которой линейная аппроксимация статической характеристики справедлива лишь в очень узком диапазоне изменения величины рНлибо систему с двумя регуляторами, в которой за счет кусочно-линейной аппроксимации можно получить более точные результаты, но при этом линеаризованный объест управления будет иметь переменный коэффициент усиления.

1, АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОДСИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫМИ ПОТОКАМИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМАХ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Обоснована целесообразность при оценке экономической эффективности управления материальными потоками в инженерных системах жизнеобеспечения учитывать четыре показателя: энергоемкость реализации управляющих воздействий на материальные потокиущерб, наносимый системе жизнеобеспечения непостоянством потоковущерб, наносимый колебаниями показателей технологического режима, обусловленными непостоянством материальных потоковдополнительные затраты, связанные с необходимостью измерения расходов веществ при стремлении повысить точность управления материальными потоками.

2. Произведена декомпозиция задачи синтеза подсистем управления потоками воды и воздуха на автономно решаемые подзадачи выбора экономически рационального способа реализации управляющего воздействия на поток и структурного синтеза подсистемы.

3. Разработана и исследована методика обоснованного выбора на стадии проектирования систем автоматизации инженерных комплексов технического обеспечения управления потоками с учетом энергоемкости и эксплуатационных затрат,.

4. Установлена зависимость дисперсий колебаний материальных потоков и показателей режима управляемого технологического процесса от параметров насосной установки, автоматизированного электропривода, гидравлической сети и характеристик возмущающих воздействий.

5. Исследованы особенности центробежных насосов как объектов управлениясформулированы задачи оперативной оптимизации работы насосных станций путем распределения нагрузок между нагнетателями и предложены алгоритмы управления параллельно работающими насосами одинакового и различных типов, учитывающие выпуклость непрерывной характеристики изменения потребляемой мощности от нагрузки, а также количество и производительность насосов.

6. Разработаны аналитические математические модели процесса движения материальных потоков с помощью насосов в сходящихся и расходящихся трубопроводов, которые могут одинаково успешно применяться при решении задач проектной и оперативной оптимизации.

7. Разработаны два способа автоматического управления качеством процесса охлаждения воды в оборотных системах, в первом из которых, на базе линейной аппроксимации статической характеристики объекта, предложено использовать два регулирующего органа — грубого и точного управления, а во втором (на базе кусочно-линейной аппроксимации) — два непрерывных пропорционально-интегральных регулятора.

8. Практическое использование полученных результатов исследований при создании АСУ ТП жизнеобеспечения позволяет не только улучшить технико-экономические и социально-экологические показатели работы, но и значительно сократить сроки и стоимость НИОКР. Ожидаемый экономический эффект — снижение затрат электрической энергии более чем на 15%.

9. Результаты проведенных исследований используются кафедрой Автоматизации инженерно-строительных технологий Московского государственного строительного университета при подготовке инженеров по автоматизации по специальности 21.02 «Автоматизация технологических процессов и производств» и инженеров-строителей-электромехаников по специальности 29.13 «Механизация и автоматизация строительства».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Казанский С. Б., Волобуев Е. И., Абдулханов H.H. Опыт внедрения систем учета, контроля и регулирования расхода энергоносителей в жилых и производственных зданиях и сооружениях. — В сб.- Материалы 49-й науч.-техн. конф. — М.: МГСУ, 1995, с. 7.

2. Рульнов A.A., Абдулханов H.H. Основные задачи подсистем управления материальными потоками в АСУ ТП водообрабатывающих комплексов. — В сб. науч. трудов: Теория и практика автоматизации технологических процессов в строительстве и городском хозяйстве. — М.: МГСУ, 1997, с.16−19.

3. Рульнов A.A., Абдулханов H.H. Выбор способа управления расходом жидкостей в автоматизированных водообрабатывающих комплексах. — Там же, л л лл с. i.

4. Абдулханов H.H. Повышение эффективности управления потоками в АСУ ТП жизнеобеспечения. — В сб.: Тезисы докл. науч.-техн. конф. молодых ученых и аспирантов «Окружающая среда-Развитие-Строительство-Образование». -М.: МГСУ, 1998, с.7−8.

5. Рульнов A.A. Абдулханов H.H. Подсистемы управления материальными потоками в АСУ ТП жизнеобеспечения. — В сб. трудов Х1-й межд. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях». — г. Владимир, РАН — Мин-образование РФ, 1998, т.4 «Автоматизация и интеллектуализация процессов». с. 14.

6. Рульнов A.A., Абдулханов H.H. Постановка задачи оперативной оптимизации работы нагнетателей s инженерных системах жизнеобеспечения. — В сб. науч. трудов: Автоматизация инженерно-строительных технологий, систем и оборудования. — М.: МГСУ, 1338, е.13−13.

7. Рульнов A.A. Абдулханов H.H. Управляемые насосы в структуре автоматизированных систем жизнеобеспечения. — Там же, с. 18−24.

8. Рульнов A.A., Матвеенкова И. А., Абдулханов H.H. Десульфуризация дымовых выбросов и утилизация побочных продуктов газоочистки. — Известия АПЭ «Промышленная экология», 1998. N 3, с.

9. Рульнов A.A. Матвеенкова И. А. Абдулханов H.H. Очистка дымовых выбросов и утилизация улавливаемой золы. — Известия АПЭ «Промышленная экология», 1998, N 4, с. 9−12.

10.Рульнов A.A., Абдулханов H.H. Математическое моделирование транспорта жидкости насосами в инженерных системах жизнеобеспечения. — В сб. науч. трудов: Автоматизация технологических процессов, машин и оборудования. -М.: МГСУ. 1999. с.11−15.

11 .Рульнов A.A., Абдулханов H.H. К управлению оборотными охлаждающими системами водоснабжения. — Там же, с. 16−22.

12.Рульнов A.A., Абдулханов H.H. Разработка и исследование математической модели автоматизированной насосной установки. — В сб. трудов Х11 межд. науч. конф."Математические методы в технике итехнологиях". -г.В.Новгород, РАН — Минобразование РФ, 1999, т. З «Моделирование и оптимизация процессов». с. 76.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации содержится новое решение актуальных задач управления материальными потоками в автоматизированных инженерных системах жизнеобеспечения, что имеет существенное значение для развития, совершенствования и повышения экономической эффективности схем автоматизации технологических процессов в строительстве и городском хозяйстве.