38438

Разработка моделирование процесса поддержки заданных климатических условий в помещении в системе InTouch

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Трехдиапазонный регулятор температуры 60 3. 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. Возможные колебания...

Русский

2013-09-28

2.09 MB

77 чел.

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

Инженерный факультет

Кафедра Кибернетики и мехатроники

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой

Кибернетики и мехатроники

_____________ К.А.Пупков

«___»_____________2013 г.

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

на тему

«Разработка моделирование процесса поддержки заданных климатических условий в помещении в системе InTouch»

550200-Управление в технических системах

Степень бакалавра техники и технологий

Разработчик:

Студент группы   ИУБ-401 (4 курс)

Студенческий билет №1032085109

Роман Мба Мба Ангоно_________________

     Руководитель:                    к.т.н, доц. Внуков А.А._________________

                                          Москва  2013г.


Оглавление

Введение 3

Постановка задачи 4

Глава 1:Средства и объект автоматизации 9

1.1. Программа Intouch 9

1.1.1. Назначение комплекса INTOUCH 9

Компоненты системы InTouch 9

Первый запуск InTouch 10

Создание нового приложения 13

Использование менеджера приложений InTouch 16

Вывод свойств приложения 17

1.3.ПИД – Регулятор 18

1.4. Использование оборудования для кондиционирования зданий 21

1.4.1. Система технической вентиляции на базе приточной установки и вытяжного крышного вентилятора. 21

1.4.2. СКВ на базе сплит-системы с приточной вентиляцией. 22

1.4.3. СКВ на базе "чиллера-фанкойлов" и система приточно-вытяжной принудительной вентиляции здания гостиницы. 24

1.4.4. СКВ на базе кондиционера "сплит-системы с приточной вентиляцией" и система естественной вытяжной вентиляции коттеджа. 25

Методология исследования и оценки автоматизированных систем теплоснабжения. 32

Обоснование выбора переменных 33

Глава 3. Разработка алгоритма и реализация программы 40

3.1. Разработка системы оперативного управления 40

3.2. ПИД-регулятор из инструментальной системы КОНГРАФ 41

3.3. Алгоритм моделирования поддержания заданных климатических условий в помещении 45

3.4. Блок-схема программы с алгоритмом моделирования 46

3.5. Конфигурация аппаратного обеспечения нижнего уровня 48

3.6. Разработка программного обеспечения нижнего уровня 49

3.7. Обзор алгоритмических блоков проекта 52

3.8. Трехдиапазонный регулятор температуры 60

3.9. Методика проведения экспериментальны исследований 65

3.10. Экспериментальные исследования на стенде 66

Заключение 74

Литература 76

Приложение 1 78


Введение

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:

  1.  разработка моделирование и программного обеспечения для поддержания заданных климатических условий в жилом или служебном помещении;
  2.  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.

Комната

Стенд

Температура воздуха в комнате ниже заданного диапазона. Включаем кондиционер на обогрев.

Температура лампочки ниже заданного диапазона. Включаем лампочку. Крутим Belimo 1.

Температура воздуха в комнате в заданном диапазоне. Выключаем кондиционер.

Температура лампочки в заданном диапазоне. Поддерживаем температуру лампочки (лампочка периодически мигает). Теперь на температуру влияют только помехи. Если вентиль, перекрывающий трубочку с горячей жидкостью, открыт – крутим Belimo 1 в обратную сторону.

Температура воздуха в комнате выше заданного диапазона. Включаем кондиционер на охлаждение.

Температура лампочки выше заданного диапазона. Выключаем лампочку. Если вентиль, перекрывающий трубочку с горячей жидкостью, открыт – крутим Belimo 1 в обратную сторону.

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.

Обозначения

Комната

Стенд

Tв

Верхняя уставка температуры воздуха

Верхняя уставка температуры лампы

Tн

Нижняя уставка температуры воздуха

Нижняя уставка температуры лампы

0

Время включения кондиционера на охлаждение

Время выключения лампочки

t1

Время выключения кондиционера

Время начала мигания лампочки

t2

Время включения кондиционера на обогрев

Время включения лампочки и начала кручения Belimo в сторону открытия вентиля

t3

Время выключения кондиционера

Время начала мигания лампочки и кручения Belimo в сторону закрытия вентиля

t4

Время включения кондиционера на охлаждение

Время включения лампочки

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 человеко- машинных  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.

Примечание: на рисунках показаны кнопки панели инструментов InTouch, с помощью которых запускаются те или иные компоненты пакета.

 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

Примечание: следующие сведения включены только для ознакомления и не содержат подробных инструкций. Подробное описание требуемых действий можно найти в Упражнении 1 «Создание новых приложений, окон и графических объектов».

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 Settings\CPUName\My Documents\My InTouch Applications\NewApp (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 Files\Wonderware\InTouch:

Примечание: отдельные приложения InTouch рекомендуется хранить в отдельных подкаталогах — это уменьшит вероятность ошибок и обеспечит целостность создаваемых программ.

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:

Примечание: в самый первый момент в столбцах версии и разрешающей способности отображаются нули (0). После открытия окон приложения эти значения будут изменены.

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 = (x0x) — 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:

Часто в качестве параметров ПИД-регулятора используются:

  1.  относительный диапазон

  1.  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°С, 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

2.1.1.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.

Поток данных, доступный постоянно с возможностью автоматизированного сбора

Нерегулярно получаемые блоки данных

Постоянно доступный поток данных, формируемый при моделировании

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):

  1.  модель средней температуры воздуха в исследуемом помещении-абоненте теплосистемы №1 на (МТВ-1);
  2.  модель средней температуры теплоносителя в подающем трубопроводе (МТП);
  3.  модель среднего расхода теплоносителя в подающем трубопроводе теплосистемы №1 (МРП-1);
  4.  модель среднего расхода теплоносителя в подающем трубопроводе теплосистемы №2 (МРП-2);
  5.  модель средней температуры теплоносителя в обратном трубопроводе теплосистемы №1 на (МТО-1);
  6.  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 тепло- и 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).2

Данная цель будет достигнута посредством решения следующих задач:

  1.  Анализ и выбор переменных, характеризующих рынок АСТ
  2.  Построение эконометрической модели
  3.  Сравнение результатов исследования с работами зарубежных ученых
  4.  Разработка практических рекомендаций по внедрению и распространению АСТ  среди населения Экв.Гвинеи.

Работа состоит из нескольких этапов:

  1.  Сбор и обработка статистических данных
  2.  Анализ информации в пакете STATA 11.0
  3.  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 статистики3 и различных аналитических агентств и опросов.  Итак, были отобраны следующие статистические данные по 2 регионам Экв. Гвинеи за пять лет (2008-2012гг):

  1.  Стоимость услуг по передаче электроэнергии
  2.  Количество кондиционеров и «примитивных» АСТ (в расчете на 1 семью по региону).
  3.  Численность пользователей АСТ, среди населения
  4.  Доход на душу населения
  5.   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:

  1.  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;
  2.  концентрация CO2 в наружном воздухе обозначается как Co Воздух подается в помещение в постоянном объеме Vo (в литр/сек на одного человека);
  3.  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:

CsCo = 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:

  1.  погрешность;
  2.  точность измерения;
  3.  устойчивость к воздействию температуры;
  4.  пыле- и влагозащищенность;
  5.  устойчивость к воздействию солнечных лучей;
  6.  частота настройки;
  7.  устойчивость к механическим вибрациям;
  8.  устойчивость к электрическим помехам;
  9.  места размещения датчиков;
  10.  количество датчиков;
  11.  методика усреднения результатов замера группой датчиков;
  12.  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.

Разработка алгоритма

Трансляция алгоритмов

Загрузка программы в контроллеры

Разработка программного обеспечения диспетчеризации

Разработка алгоритма управления

Задание на функциональный алгоритм

Схемы подключения

ИС КОНГРАФ

Алгоритм на языке функциональных блоков

Транслятор ИС КОНГРАФ

Транслятор ИС КОНГРАФ

Трансляция алгоритмов

Алгоритм на языке функциональных блоков

Загрузка программы в контроллеры

Алгоритм в двоичном коде

Алгоритм в двоичном коде

Свободно программируемый контроллер

КОНСОЛЬ

Контроллер с загруженным алгоритмом

Разработка мнемосхемы объекта и привязка контроллеров к SCADA-системе

Контроллер с загруженным алгоритмом

Функциональная схема

Мнемосхема объекта для управления и мониторинга

Конструктор SCADA-системы

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 

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

SP

Вход

аналог.

Задание

PV

Вход

аналог.

Регулируемый параметр

TF

Вход

аналог.

Постоянная времени фильтра

MANUAL

Вход

логич.

Ручной режим

OPEN

Вход

логич.

Открыть

CLOSE

Вход

логич.

Закрыть

DZONE

Вход

аналог.

Зона нечувствительности

KP

Вход

аналог.

Коэффициент пропорциональности

TI

Вход

аналог.

Постоянная времени интегрирования

D

Вход

аналог.

Коэффициент ввода дифференциальной составляющей

TP

Вход

аналог.

Минимальная длительность импульса

B

Вход

аналог.

Время люфта исполнительного механизма

ACTION

Вход

логич.

Направление действия (FALSE - прямое, TRUE - обратное)

E

Выход

аналог.

Значение рассогласования

PDDO

Выход

аналог.

Выход ПДД'

Z1

Выход

логич.

Выход "Больше"

Z2

Выход

логич.

Выход "Меньше"

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 (См. Приложение 2).

Контроллер МС8

Алгоритм

Контроллер МС5

Индикаторные лампы

Контроллер MR8

Лампа накаливания

Датчик температуры

Датчик Belimo

Зеленая

Красная

Лампа подогрева/ охлаждения

Рис. 26. Схема соединения контроллеров на стенде

Основная программа находится на контроллере МС8, соединенным с контроллерами МС5 и MR8. На него поступает входная информация с датчика температуры и датчика угла поворота механизма привода Belimo. Контроллеры МС5 и MR8 используются в качестве коммуникационных контроллеров. К контроллеру МС5 подключаются красная и зеленая индикаторные лампы, информирующие о включении или выключении кондиционера на подогрев или охлаждение. В режиме подогрева воздуха  загорается красная лампа. В режиме охлаждения загорается зеленая лампа. Контроллер MR8 соединен с лампой подогрева/охлаждения, которая имитирует подогрев воздуха во включенном кондиционере на подогрев и его охлаждение во включенном кондиционере на охлаждение.

3.6. Разработка программного обеспечения нижнего уровня

Разработка программного обеспечения нижнего уровня проводится поэтапно.

Этап 1. Задание схемы проекта. В соответствии со схемой соединения контроллеров, изображенной на рис. 26, сначала необходимо при использовании инструментальной системы КОНГРАФ задать правильные соединения для нашей задачи в сети контроллеров, имеющихся на стенде.

Рис. 27. Сеть микроконтроллеров

На рисунке 27 показаны соединения контроллеров с учетом форматов передаваемых данных, т.е. типы выходных данных должны соответствовать типам входных данных соединенных контроллеров.

Этап 2. Создание программ проекта для каждого контроллера. Контроллер MR8 является коммуникационным контроллером и через него осуществляется управление лампой накаливания.

Рис. 28. Алгоритм работы микроконтроллера MR8

Контроллер MC5 является коммуникационным контроллером и через него осуществляется управление зеленой и красной индикаторными лампами.

Рис. 29. Алгоритм работы микроконтроллера MC5

Основная программа с алгоритмом поддержания температурного режима помещения находится на контроллере МС8. Выход с этого контроллера подается на исполнительный механизм Belimo и коммуникационные контроллеры МС5 и MR8. Отлаженный и протестированный вариант программы приводится на рис. 30.

Рис. 30. Алгоритм работы микроконтроллера MC8

На учебном стенде, на котором проводится имитационное моделирование, имеются вполне определенные соединения между контроллерами, которые мы не может самовольно и произвольно изменять. Они являются заданными физическими ограничениями на реализацию системы, которых мы обязаны придерживаться. Поэтому в проекте использованы три контроллера, хотя достаточно применение только одного контроллера MC8, т.к. у него имеется достаточное количество входных и выходных каналов, производительности и внутренней памяти для программ и данных.

3.7. Обзор алгоритмических блоков проекта

Приведем описание всех алгоритмических блоков инструментальной системы КОНГРАФ, задействованных в проекте.

1. ТЕРМ 10К +С - Термистор 10 кОм с сигнализацией обрыва/к.з.

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

X

Вход

аналог.

Входное напряжение, мВ

TYPE

Вход

целоч.

Тип датчика

YCEL

Выход

аналог.

Измеренная температура, °C

YFAR

Выход

аналог.

Измеренная температура, °F

FAULT

Выход

логич.

Обрыв / короткое замыкание

Алгоблок предназначен для нормализации измерений термистора 10 кОм, т.е. преобразования измеренного сопротивления датчика в значение температуры.

Параметр TYPE может быть равен:
• 2 - для термистора 10К-2 или
ACI/10K-CP (ACI);
• 3 - для термистора 10К-3 или
ACI/10K-AN (ACI).

Характеристики поддерживаемых термисторов:
для 10к-2 —
B25/100=3990 или B25/100=3980
для 10к-3 —
B25/100=3715)

При обрыве или коротком замыкании проводов датчика, выход FAULT становится равным 1, а измеренная температура остаётся равной значению на момент обрыва или короткого замыкания.

2. НАПРЯЖЕНИЕ - Напряжение (0-10В)

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

X

Вход

аналог.

Входное напряжение, мВ

Y

Выход

аналог.

Измеренное напряжение, В

Алгоблок преобразует напряжение, поступающее от датчика (0-10В) на вход АЦП через конфигуратор, в выходное значение напряжения датчика.

3. ФИЗ ВЕЛ ОГ-Преобразование в физические единицы по двум точкам с ограничением

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

X

Вход

аналог.

Вход

XMIN

Вход

аналог.

Минимальное значение входа

XMAX

Вход

аналог.

Максимальное значение входа

YMIN

Вход

аналог.

Минимальное значение выхода

YMAX

Вход

аналог.

Максимальное значение выхода

Y

Выход

аналог.

Выход

Алгоблок выполняет линейное преобразование сигнала от датчика в физические единицы с ограничением.

X – сигнал датчика (мА, мВ или В);
Y – значение сигнала датчика, но уже в выбранных физических единицах.

4. Сумма

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

X[i]

Входы

аналог.

Входы.
Кол-во входов может быть от 2 до 255

Y

Выход

аналог.

Cумма

Алгоблок предназначен для вычисления суммы аналоговых чисел.

Y(t) = X[1](t) + X [2](t) + … + X [N](t)

Сумма N аналоговых чисел X[i] (i = 2…N), которые действительны на входах блока в текущем цикле работы алгоритма, определяет значение Y(t). В следующем цикле ФБ сформирует сумму новых значений на входах X[i] блока.

5. Разность

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

X1

Вход

аналог.

Уменьшаемое

X2

Вход

аналог.

Вычитаемое

Y

Выход

аналог.

Разность

Вычисление разности аналоговых чисел.

Y(t) = X1(t) - X2(t)

Разность двух аналоговых чисел, которые действительны на входах блока в текущем цикле работы алгоритма, определяет значение Y(t). В следующем цикле алгоблок сформирует новое значение разности на выходе Y.

6. КОМПАР ВЕРХ - Компаратор верхнего уровня

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

X

Вход

аналог.

Вход

XUP

Вход

аналог.

Уровень срабатывания. Пороговое значение верхнего уровня

HYS

Вход

аналог.

Величина гистерезиса

Z

Выход

логич.

Выход

Алгоблок предназначен для сравнения входного параметра с пороговым значением XUP. Z принимает значение "1" если X становится больше чем XUP и Z принимает значение "0" если Х становится меньше чем XUP-HYS.

  1.  КОМПАР НИЖ - Компаратор нижнего уровня

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

X

Вход

аналог.

Вход

XLOW

Вход

аналог.

Уровень срабатывания. Пороговое значение нижнего уровня

HYS

Вход

аналог.

Величина гистерезиса

Z

Выход

логич.

Выход

Алгоблок предназначен для сравнения входного параметра с пороговым значением XLOW. Z принимает значение "1" если X становится меньше чем XLOW и Z принимает значение "0" если Х становится больше чем XLOW+HYS.

  1.  ПРЕОБР Л-А - Преобразователь типов: логический в аналоговый

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

Q

Вход

логич.

Вход

Y

Выход

аналог.

Выход

Алгоблок выполняет функцию преобразования входной логической величины в аналоговую.

Если Q=0, то Y=0.0;
если
Q=1, то Y=1.0.

  1.  УМНОЖЕНИЕ – Умножение

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

X[i]

Входы

аналог.

Множители.
Кол-во входов может быть от 2 до 255

Y

Выход

аналог.

Произведение

Алгоблок предназначен для вычисления произведения аналоговых чисел.

Y(t) = X[1](t) * X [2](t) * … * X [N](t)

Произведение N аналоговых чисел X[i] (i = 2…N), которые действительны на входах блока в текущем цикле работы алгоритма, определяет значение Y(t). В следующем цикле алгоблок сформирует произведение новых значений на входах X[i] блока.

  1.   ЗДН АН – Задание аналоговой величины

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

X

Вход

аналог.

Вход

Y

Выход

аналог.

Выход

Алгоблок предназначен для задания аналоговой уставки на входах используемых в алгоритме других алгоблоков.

Алгоблок копирует значение, заданное на входе X, на выход Y. Вход алгоблока по умолчанию сделан невидимым.

Входной параметр может быть задан в качестве константы или включен в приборный список.

11. НЕ - Логическое НЕ

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

Q

Вход

логич.

Вход

Z

Выход

логич.

Выход

Алгоблок выполняет функцию логического отрицания. В каждом цикле работы алгоритма выполняется соотношение:

Z(t) = NOT (Q(t))

Если Q=1, то Z=0 и наоборот.

  1.   И – Логическое И:

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

Q[i]

Входы

логич.

Входы.
Кол-во входов может быть от 2 до 255

Z

Выход

логич.

Выход

Алгоблок выполняет функцию логического умножения. В каждом цикле работы алгоритма выполняется соотношение:

Z(t) = Q[1](t) & Q[2](t) & ... & Q[N](t).

Если хотя бы один из входов Q равен 0, то Z=0.
В противном случае
Z=1.

13. ПАМЯТЬ АН - Запоминание аналоговой величины

Обозначение

Параметры

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

X

Вход

аналог.

Вход

Q

Вход

логич.

Стробирующий вход

Y

Выход

аналог.

Выход

Алгоблок выполняет функцию триггера-защелки. Входная информация X запоминается и передается на выход Y по переднему фронту на входе Q.

Параметр Y может быть сохранён в энергонезависимой памяти (на срок до двух недель).

3.8. Трехдиапазонный регулятор температуры

Фактически в работе разработан Трехдиапазонный регулятор температуры воздуха в помещении. Он не использует ПИД-регулятор из библиотеки инструментальной системы КОНГРАФ. Трехдиапазонный регулятор температуры представляет собой алгоритмический блок, который может быть использован при создании программ в инструментальной системе КОНГРАФ. Поэтому рассмотрим:

  1.  разработанное программное обеспечение поддержания заданных температурных условий в помещении с использованием алгоблока Трехдиапазонного регулятора;
  2.  программу Трехдиапазонного регулятора, разработанную в системе КОНГРАФ;
  3.  описание алгоритмического блока Трехдиапазонного регулятора.

3.8.1. Программное обеспечение с использованием Трехдиапазонного регулятора

Представим вид программы поддержания заданных температурных условий в помещении с использованием алгоблока Трехдиапазонного регулятора (рис. 31).

Рис. 31. Программа с использованием алгоритмического блока Трехдиапазонного регулятора

3.8.2. Программа Трехдиапазонного регулятора

Представим программу Трехдиапазонного регулятора, разработанную в системе КОНГРАФ (рис. 32).

Рис. 32. Программа Трехдиапазонного регулятора

3.8.3. Описание Трехдиапазонного регулятора

Дадим описание алгоритмического блока Трехдиапазонного регулятора температуры (рис. 33).

Инструментальная система КОНГРАФ содержит библиотеку алгоблоков. При использовании алгоблока из библиотеки КОНГРАФ в разрабатываемой программе используется его графическое изображение. На рис. 33 показан вид алгоблока Трехдиапазонного регулятора температуры со входами и выходами с указанием их имен.

Трёхдиапазонный регулятор

Исполнительные механизмы

Объект управления

Т

Belimo

Рис. 33. 3х ДИАП РЕГ - Трехдиапазонный регулятор

Объектом управления является помещение. Параметром помещения в данном случае является температура воздуха в нём. Кондиционер, находящийся в помещении, является исполнительным механизмом. Кондиционер изменяет температуру в помещении.

Трёхдиапазонный регулятор производит идентификацию температурного интервала и перевод исполнительных устройств в соответствующие состояния. Система стремится понизить температуру, если она (температура) находится в верхнем температурном интервале, повысить, если находится в нижнем температурном интервале. В среднем температурном интервале температура может изменяться, но системой никак не регулируется.

Имена, типы входов и выходов алгоритмического блока Трехдиапазонного регулятора температуры описаны как его параметры в Таблице 3.

Таблица 3. Параметры Трехдиапазонного регулятора.

Имя

Вх/Вых

Тип

Комментарий

Т

Вход

аналог.

Регулируемый параметр

Belimo

Выход

аналог.

Задание для исполнительного механизма (%)

Зел. Инд.

Выход

логич.

Индикатор нахождения в верхнем диапазоне

Кр. Инд.

Выход

логич.

Индикатор нахождения в нижнем диапазоне

Верх. Уст.

Парам.

аналог.

Верхнее значение допустимого интервала

Ниж. Уст.

Парам.

аналог.

Нижнее значение допустимого интервала

Рег. Т

Выход

логич.

Сигнал регулирующему устройству

Разработанный алгоблок Трехдиапазонного регулятора температуры предназначен для использования в программах на КОНГРАФе и на стенде «Шит автоматики», выпускаемый МЗТА, на котором имеются ранее описанные устройства (рис. 25).

Алгоблок представляет собой регулятор, работающий совместно с исполнительным механизмом постоянной скорости. Алгоблок позволяет поддерживать регулируемый параметр в заданном диапазоне.

Зел. Инд. – ИСТИНА, если Т > Верх. Уст., в остальных случаях - ЛОЖ

Кр. Инд. –  ИСТИНА, если Т < Ниж. Уст., в остальных случаях – ЛОЖ

Belimo –  принимает значение 100%, если Т находится в нижнем интервале,         т.е. Т < Ниж. Уст. (Кр. Инд. = ИСТИНА)

Рег. Т –   выход, применяемый в алгоритмах, реализованных на учебном стенде для имитации реальных изменений регулируемого параметра (в нашем случае отвечает за вкл/выкл лампы накаливания, температура которой имитирует температуру в комнате). В реальных системах не используется.

Рис. 34. Функциональные возможности алгоблока Трехдиапазонного регулятора температуры

Рассмотрим две ситуации (А и Б):

А) Т > верхней уставки - Belimo = 0%, Зел.Инд. = ИСТИНА, Кр. Инд. = ЛОЖ, Рег. Т = ЛОЖ.

    Т < верхней уставки - Belimo = 0%, Зел.Инд. = ЛОЖ, Кр. Инд. = ЛОЖ, Рег. Т принимает значение ИСТИНА, когда Т < значения первого вхождения в интервал [Ниж. Уст; Верх. Уст.].

Б) Т < нижней уставки - Belimo = 100%, Зел.Инд. = ЛОЖ, Кр. Инд. = ИСТИНА, Рег. Т = ИСТИНА.

    Т > нижней уставки - Belimo = 0%, Зел.Инд. = ЛОЖ, Кр. Инд. = ЛОЖ, Рег. Т принимает значение ИСТИНА, когда Т < значения первого вхождения в интервал [Ниж. Уст; Верх. Уст.].

3.9. Методика проведения экспериментальны исследований 

Методика проведения экспериментальных исследований предполагала проверку правильности работы разработанной программы и получение экспериментальных данных, связанных с работой программы в разных режимах эксплуатации на стенде.

Нам следовало убедиться в правильной работе программы на стенде в таких режимах:

1. Нагрев воздуха до нижней уставки.

2. Охлаждение воздуха до верхней уставки.

3. Перевод системы в средний рабочий диапазон температур.

4. Имитация нагревающей и охлаждающей помехи.

5. Имитация выхода из строя систем подогрева или охлаждения кондиционера.

6. Изменение верхней и нижней температурных уставок рабочих температур помещения. Задание разной ширины температурной рабочей зоны.

7. Длительная работа системы в непрерывном режиме.

8. Способность к восстановлению и продолжению работы при временном выключении.

При отладке программы многократно проводилось ее тестирование с тем, чтобы убедиться в правильности ее функционирования.

Экспериментальные исследования проводились с целью получения сведений об особенностях работы программы в разных условиях. Для этого был разработан план проведения экспериментов с полученной программой поддержки температурных условий в помещении в 8 разных режимах.

3.10. Экспериментальные исследования на стенде

Для проведения экспериментальных исследований алгоритма программы, написанной в среде КОНГРАФ, мы используем учебный стенд, а так же системное программное обеспечение КОНТАР-Консоль.

Системная программа КОНТАР-Консоль позволяет проверить качество связи между контроллерами, загрузить в контроллеры разработанные программы, запустить программу на выполнение, отображать изменяемые пользователем переменные, отображать измеряемые датчиками переменные, задавать временной интервал, определяющий частоту съема данных с датчиков. В программу КОНТАР-Консоль автоматически при изменениях программе пользователя добавляются новые отображаемые переменные.

Кроме отображения числовых данных программа КОНТАР-Консоль позволяет в удобном виде выводить графики. В ней имеется возможность задания нескольких рабочих окон, в которые можно выводить от одного до нескольких параметров.

Далее приводятся результаты экспериментов с программой, в которых изменяются верхняя и нижняя температурные уставки для помещения и имитируется нагрев воздуха в комнате (поверхность лампочки нагревается) и охлаждение воздуха в комнате (поверхность лампочки остывает). Одновременно имитируются возмущения температурного режима в помещении в виде помех, и проверяется способность разработанной программы к адекватной компенсации температуры в помещении.

На рис. 35 в КОНТАР-Консоль отображены данные эксперимента.


Рис. 35. КОНТАР-Консоль

На рис. 36 в КОНТАР-Консоль показан график изменения температуры в помещении, когда в результате прогрева помещения произошло превышение нижней границы рабочих температур помещения.

Рис. 36. График изменения температуры в помещении в КОНТАР-Консоль

Система нагревает воздух в комнате (поверхность лампочки) до нижней уставки (34°С), далее на графике видно как температура продолжает повышаться по инерции. Затем мы наблюдаем два скачка в сторону повышения температуры и один в сторону понижения на один градус. Скачки – это помехи (две нагревающие и одна охлаждающая). Далее температура колеблется у нижней уставки.

В процессе продолжения эксперимента были изменены верхняя и нижняя температурные уставки и ширина рабочего температурного интервала в помещении (37 – 38 градусов). Система была принудительно переведена в режим охлаждения воздуха в помещении. Температурные нагревающие и охлаждающие возмущения во время проведения этой части эксперимента уже отсутствовали, поэтому на рис. 38. на графике в КОНТАР-Консоль они отсутствуют.

Рис. 37. КОНТАР-Консоль

На рис. 38 показан снятый температурный режим без возмущений.

Рис. 38. График изменения температуры в помещении в КОНТАР-Консоль

Система охлаждает воздух в комнате (поверхность лампочки остывает) до верхней уставки (37°С). Далее температура колеблется в близи этой уставки в соответствии с разработанным алгоритмом.

При проведении следующих экспериментов использована возможность КОНТАР-Консоль, позволяющая отображать данные одновременно в нескольких графических окнах в разных единицах измерения.

Рис. 39. Графики в КОНТАР-Консоль

На верхнем графике: красная линия соответствует температуре в комнате, зелёная – нижней уставке, а жёлтая – верхней. На нижнем графике в процентах показан уровень открытия вентиля, регулируемого ИМ Belimo.

На верхнем графике мы видим, как наша система варьирует температуру в зависимости от уставок:

- нижняя уставка - 30°С, верхняя уставка - 40°С: температура понижается с 65°С до 40°С, далее незначительные колебания у 40°С;

- нижняя уставка - 45°С, верхняя уставка - 50°С: температура начинает повышаться, но не успевает достичь 45°С, так как мы меняем значения уставок;

- нижняя уставка - 20°С, верхняя уставка - 30°С: температура начинает понижаться, но не успевает достичь 30°С, так как мы меняем значения уставок;

- нижняя уставка - 45°С, верхняя уставка - 66°С: температура повышается до 45°С, далее незначительные колебания у 45°С;

ИМ Belimo работает на открытие каждый раз, когда температура оказывается меньше нижней уставки и на закрытие, когда температура оказывается больше нижней уставки.

При сопоставлении обоих графиков, данные которых были получены в одни и те же моменты времени с датчика температур и угла поворота ИМ Belimo, и имеющих одну и ту же ось времени, видно, что на участке с температурными возмущениями угол открытия ИМ Belimo максимально достигает порядка 33% от 90 угловых градусов. На участке без температурных возмущений угол открытия ИМ Belimo максимально достигает порядка 10% от 90 угловых градусов полного открытия заслонки.

В этих экспериментах использовалась максимальная частота съема данных с датчиков температуры и ИМ Belimo, заданная в в программе КОНТАР-Консоль.

При продолжении эксперимента имитировалось возникновение случайной нештатной аварийной ситуации в работе оборудования системы (отопления, вентиляции, охлаждения), повлекшей отказ отопительной системы.

Рис. 40. График в КОНТАР-Консоль

На этом графике показано развитие событий, расписанных выше. После колебаний у нижней границы - 45°С, мы наблюдаем понижение до 27-28°С. Такое положение дел связано с ручным отключением лампы накаливания, что может промоделировать открытие окон в зимний период времени года и одновременный отказ отопительной системы. После спада температуры установилось определённое значение (в нашем случае 27°С), т.е. температура в помещение сравнялась с температурой на улице. Далее лампочка была переведена обратно в автоматический режим (отопительная система была отремонтирована и запущена в эксплуатацию). Температура повысилась до нижней уставки в соответствии с разработанным алгоритмом.

В приложении 2 можно ознакомится с другими графическими результатами исследования регулятора и программы.

В результате были проведены экспериментальные исследования, получены данные экспериментов, часть из которых представлена и описана в этом разделе магистерской диссертации. Остальные эксперименты с разработанным алгоритмом поддержания температурного режима в помещении содержатся в приложении. В них содержатся результаты экспериментов с изменением ширины температурного рабочего диапазона в помещении, изменением положения датчика температуры относительно лампы накаливания, максимального открытия исполнительного механизма Belimo.


Заключение

В работе разработано алгоритмическое и программное обеспечение для поддержания заданной температуры в жилых и служебных.

Разработан нижний уровень аппаратного и программного обеспечения, состоящий из сети свободно программируемых контроллеров семейства КОНТАР и программы, созданной для них в инструментальной среде КОНГРАФ, работающей в соответствии с разработанным алгоритмом.

Для библиотеки Инструментальной системы КОНГРАФ и стенда «Щит автоматики» разработан новый алгоблок Трехдиапазонного регулятора (температуры воздуха в помещении), использованный в созданном программном обеспечении, и который может быть введен в библиотеку алгоблоков.

Проведены исследования регулятора и целый ряд успешных экспериментов с программой на стенде «Щит автоматики» в Лаборатории Микроконтроллерных систем, подтвердивших хорошую работоспособность Трехдиапазонного регулятора температуры воздуха и разработанной программы в условиях температурных возмущений и без них, различных верхних и нижних температурных уставок.

Трёхдиапазонный регулятор производит идентификацию температурного интервала и перевод исполнительных устройств в соответствующие состояния.

Алгоблок Трехдиапазонного регулятора может быть использован для поддержания в заданных границах в помещении не только значений температуры, но и влажности и содержания углекислого газа, и решает в комплексе целевую задачу, поставленную в работе.

Имеющееся оборудование на учебном лабораторном стенде «Щит автоматики» накладывает ограничения на возможности комплексной реализации микроконтроллерной системы поддержания заданных климатических условий в помещении. В частности, невозможна совместная реализация на одном стенде трех подсистем поддержания температуры, влажности и содержания углекислого газа в связи с отсутствием соответствующих датчиков и исполняющих устройств. Имеющаяся коммутация микроконтроллеров, датчиков и исполнительных устройств на стенде вынудила использовать в разработке вместо одного контроллера МС8 три контроллера.

В температурном интервале между верхней и нижней уставками устройства подогрева и охлаждения воздуха находятся в выключенном состоянии. При этом расход электроэнергии минимальный, необходимый лишь для закрытия вентиля посредством исполнительного механизма Belimo.


Литература

  1.  Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции. / Под ред. В.Н. Богословского. — М.: Стройиздат, 1986. — 479 с.
  2.  О совершенствовании автоматического регулирования систем обеспечения микроклимата. // С.О.К. — 2005. — № 5. — с. 112-114.
  3.  Н.М. Беляев, А.А. Рядно. Методы теории теплопроводности. Ч.2. — М.: Высшая школа, 1982. — 304 с.
  4.  СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий». — М: ГУП ЦПП, 2004.
  5.  Самарин О. Д. Оптимизация мощности и параметров управления систем кондиционирования микроклимата в условиях переменных нагрузок. Автореферат дисс. канд. техн. наук. – М.: МГСУ, 1999. - 21 с.
  6.  Магергут В. З., Вент Д. П., Кацер И. А. Инженерные методы выбора и расчета оптимальных настроек промышленных регуляторов. – Новомосковск, НИ РХТУ, 1994. - 158 с.
  7.  Копелович А. П. Инженерные методы расчета при выборе автоматических регуляторов. – М.: Металлургия, 1960.- 190 с.
  8.  Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции. / Под ред. В. Н. Богословского – М.:
  9.  Журнал: “Оборудование Регион” №11(28), ноябрь 2006 год, отпечатано в типографии ООО "Принтинг" тираж 10000
  10.  "Насосы для систем ГВС загородного дома" (Меркель К.В.) стр 34-35
  11.  "Новое решение для регулируемых промышленнных насосов"( Даниель Гонтерманн, Александер Вурцбахер, компания КСБАГ, Германия) стр 35-36
  12.  Журнал “Коммунальный комплекс России” №9(27), сентябрь 2006 год, отпечатано в типографии ООО"АСТ- Московский Полиграфический Дом" тираж 10000
  13.  "Подготовка к зиме" (Николай Семенов) стр 4-8
  14.  "Отопление и ГВС. Центральное и автономное отопление"(Скоробогаткина М.) стр 70-73
  15.  "Глобальная диспетчеризация" (Денис Аленин) стр 66-68
  16.  Описание измерительного контроллера MC8
  17.  Описание контроллера MC5
  18.  Описание Релейного модуля MR8
  19.  Описание инструментальной графической среды Kongraf
  20.  Описание программы инженера-наладчика Console
  21.  Описание системы для интернет мониторинга и диспетчерского управления через web-браузер
  22.  web-сайты www.mzta.ru www.kontar.ru 


Приложение 1

В разных режимах были проведены исследования Трехдиапазонного регулятора и целый ряд экспериментов с программой на стенде «Щит автоматики» в Лаборатории Микроконтроллерных систем.

Экспериментальные исследования  по воздействию температурных возмущений.

Рис. Программа КОНСОЛЬ. Условия эксперимента.

Рис. Программа КОНСОЛЬ. Результаты исследований в заданном режиме.

Рис. Программа КОНСОЛЬ. Результаты исследований в заданном режиме.

Рис. Программа КОНСОЛЬ. Результаты исследований в режиме.

Рис. Программа КОНСОЛЬ. Новые условия эксперимента.

Рис. Программа КОНСОЛЬ. Два графика в одном окне. Результаты исследований в режиме.

Рис. Программа КОНСОЛЬ. Условия эксперимента по расширению среднего температурного диапазона и разных температурных помехах.

Рис. Программа КОНСОЛЬ. Два графика в одном окне. Результаты исследований в режиме с температурными помехами.

Рис. Программа КОНСОЛЬ. Условия эксперимента по изменению среднего температурного диапазона и тех же последовательных температурных помехах.


Приложение 2

Рис. Функционально-монтажная схема стенда

2 Прим. Далее везде АСТ- автоматизированные системы теплоснабжения

3 www.gks.ru


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64751. Лекции по клинической генетике отдельных неврологических заболеваний 963.5 KB
  Наследственная изменчивость человека обусловливает бесконечные индивидуальные различия выраженные в вариантах нормальных признаков а также развитие заболеваний возникновение которых строго предсказано генетически наследственные заболевания...
64752. НАЦИОНАЛЬНАЯ ЭКОНОМИКА БЕЛАРУСИ 696.5 KB
  Построение и развитие унитарного демократического социального правового государства в соответствии с Конституцией Республики Беларусь; формирование современного гражданского общества предполагает уважение социальных социально-психологических культурных...
64753. Организация производства дистанции сигнализации и связи 495 KB
  Капитал этих предприятий образуется за счет вкладов учредителей. Он именуется «складочным» или, по бухгалтерской терминологии, «уставным» капиталом. Вкладом участников могут быть деньги, ценные бумаги, средства и предметы труда, нематериальные ценности...
64757. Введение в психологию 55 KB
  Основные разделы психологии как науки. Основные направления современной психологии. Развитие психологии как самостоятельной науки начинается с XIX века.