Разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дипломный проект

Разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов

Введение

Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве. Непрерывным условием ускорения темпов роста автоматизации является развитие технических средств автоматизации. К техническим средствам автоматизации относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих и регулирующих воздействий на технологический объект управления.

Развития технологических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат интересы автоматизируемых производств потребителей, с одной стороны и экономические возможности предприятий - изготовителей с другой. Первичным стимулом развития является повышение эффективности работы производств - потребителей, за счет внедрения новой техники могут быть целесообразными только при условии быстрой окупаемости затрат. Поэтому критерием всех решений по разработкам и внедрению новых средств, должен быть суммарный экономический эффект, с учетом всех затрат на разработку, производство и внедрение. Соответственно к разработке, изготовлению следует принимать, прежде всего, те варианты технических средств, которые обеспечиваю максимум суммарного эффекта.

Постоянное расширение сферы автоматизации является одной из главных особенностей промышленности на данном этапе.

Особое внимание уделяется вопросам промышленной экологии и безопасности труда производства. При проектировании современной технологии, оборудования и конструкций необходимо научно обосновано подходить к разработке безопасности и безвредности работ.

На современном этапе развития народного хозяйства страны одной из основных задач является повышение эффективности общественного производства на основе научно-технического процесса и более полное использования всех резервов. Эта задача неразрывно связана с проблемой оптимизации проектных решений, цель которых заключается в создании необходимых предпосылок для повышения эффективности капиталовложений, сокращения сроков их окупаемости и обеспечения наибольшего прироста продукции на каждый затраченный рубль. Повышение производительности труда, выпуск качественной продукции, улучшение условий труда и отдыха трудящихся обеспечивают системы вентиляции воздуха, которые создают необходимый микроклимат и качество воздушной среды в помещениях.

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

Проблема, рассматриваемая в дипломном проекте, обусловлена износом существующей на ОАО «Вологодский оптико-механический завод» системы автоматики ПВВ. Кроме того, система спроектирована распределено, что исключает возможность централизованного управления и мониторинга. В качестве объекта внедрения выбран участок литья под давлением (В-категория по пожарной безопасности), а также прилегающие к нему помещения - участок станков ЧПУ, планово-диспетчерское бюро, склады.

Задачи дипломного проекта сформулированы в результате исследования текущего состояния САУ ПВВ и на основании аналитического обзора, приведены в разделе 3 «Техническое предложение».

Использование управляемой вентиляции открывает новые возможности для решения поставленных выше задач. Разрабатываемая система автоматического управления должна быть оптимальной в отношении выполнения обозначенных функций.

Как уже было отмечено выше, актуальность разработки обусловлена как устареванием существующей САУ ПВВ, увеличением количества ремонтных работ на вентиляционных «трассах», так и общим ростом заболеваемости дыхательных путей и простудных заболеваний рабочих, тенденцией ухудшения самочувствия при долгих работах, и, как следствие, общим падением производительности труда и качества производимой продукции. Немаловажно отметить тот факт, что существующая САУ ПВВ не связана с пожарной автоматикой, что является недопустимым для подобного рода производств. Разработка новой САУ ПВВ напрямую связана с политикой завода в области качества (ISO 9000), а также с программами модернизации заводского оборудования и автоматизации систем жизнеобеспечения цехов.

В дипломном проекте используются интернет - ресурсы (форумы, электронные библиотеки, статьи и публикации, электронные порталы), а также техническая литература необходимой предметной области и тексты стандартов (ГОСТ, СНИП, СанПиН). Также разработка САУ ПВВ ведется с учетом предложений и рекомендаций специалистов, на основании имеющихся монтажных планов, кабельных трасс, систем воздуховодов.

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

1. Аналитический обзор

1.1 Общий анализ необходимости проектирования САУ ПВВ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- функции управления, определяемые технологией и оборудованием обработки воздуха;

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

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

Рис. 1.1 - Основные технологические функции управления ПВВ:

Опишем, что подразумевается под функциями ПВВ, представленными на рис. 1.1.

1.1.1 Функция «контроль и регистрация параметров»

В соответствии с СНиП 2.04.05-91 обязательными параметрами контроля являются:

- температура и давление в общих подающем и обратном трубопроводах и на выходе каждого теплообменника;

- температура воздуха наружного, приточного после теплообменника, а также температура в помещении;

- нормы ПДК вредных веществ в вытягиваемом из помещения воздухе (наличие газов, продуктов горения, нетоксичной пыли).

Другие параметры в системах приточно-вытяжной вентиляции контролируются по требованию технических условий на оборудование или по условию эксплуатации.

Дистанционный контроль предусматривают для измерения основных параметров технологического процесса или параметров, задействованных в реализации других функций управления. Такой контроль осуществляется с помощью датчиков и измерительных преобразователей с выводом (при необходимости) измеренных параметров на индикатор или экран управляющего прибора (пульт управления, монитор ЭВМ).

Для измерения других параметров обычно используют местные (переносные или стационарные) приборы - показывающие термометры, манометры, устройства спектрального анализа состава воздуха и т. п.

Применение местных контролирующих приборов не нарушает основной принцип систем управления - принцип обратной связи. В этом случае он реализуется либо с помощью человека (оператора или обслуживающего персонала), либо с помощью управляющей программы, «зашитой» в память микропроцессора.

1.1.2 Функция «оперативное и программное управление»

Немаловажным является реализовать такую опцию, как «последовательность пуска». Для обеспечения нормального пуска системы ПВВ следует учитывать:

- предварительное открытие воздушных заслонок до пуска вентиляторов. Это выполняется в связи с тем, что не все заслонки в закрытом состоянии могут выдержать перепад давлений, создаваемый вентилятором, а время полного открытия заслонки электроприводом доходит до двух минут.

- разнесение моментов запуска электродвигателей. Асинхронные электродвигатели зачастую могут иметь большие пусковые токи. Если одновременно запустить вентиляторы приводы воздушных заслонок и другие приводы, то из-за большой нагрузки на электрическую сеть здания сильно упадет напряжение, и электродвигатели могут не запуститься. Поэтому запуск электродвигателей, особенно большой мощности, необходимо разносить по времени.

- предварительный прогрев калорифера. Если не осуществить предварительный прогрев водяного калорифера, то при низкой температуре наружного воздуха может сработать защита от замораживания. Поэтому при запуске системы необходимо открыть заслонки приточного воздуха, открыть трехходовой клапан водяного калорифера и прогреть калорифер. Как правило, эта функция включается при температуре наружного воздуха ниже 12°С.

Обратная опция - «последовательность останова» При отключении системы следует учитывать:

- задержку остановки вентилятора приточного воздуха в установках с электрическим калорифером. После снятия напряжения с электрического калорифера следует охлаждать его некоторое время, не выключая вентилятор приточного воздуха. В противном случае нагревательный элемент калорифера (тепловой электрический нагреватель - ТЭН) может выйти из строя. Для существующих задач дипломного проектирования данная опция не является важной вследствие использования водяного калорифера, однако немаловажно отметить и ее.

Таким образом, на основании выделенных опций оперативного и программного управления можно представить типовой график включения и отключения аппаратов устройств ПВВ.

Рис. 1.2 - Типовая циклограмма работы САУ ПВВ с водяным калорифером:

Весь этот цикл (рис. 1.2) система должна отрабатывать автоматически, а, кроме того, должен быть предусмотрен индивидуальный пуск оборудования, который необходим при наладке и профилактических работах.

Немаловажное значение имеют функции программного управления, такие как смена режима «зима-лето». Особенно актуальна реализация этих функций в современных условиях дефицита энергетических ресурсов. В нормативных документах выполнение этой функции носит рекомендательный характер - «для общественных, административно-бытовых и производственных зданий следует, как правило, предусматривать программное регулирование параметров, обеспечивающее снижение расхода теплоты».

В простейшем случае эти функции предусматривают или вообще отключение ПВВ в определенный момент времени, или снижение (повышение) заданного значения регулируемого параметра (например, температуры) в зависимости от изменения тепловых нагрузок в обслуживаемом помещении.

Более эффективным, но и более сложным в реализации, является программное управление, предусматривающее автоматическое изменение структуры ПВВ и алгоритма ее функционирования не только в традиционном режиме «зима-лето», но и в переходных режимах. Анализ и синтез структуры ПВВ и алгоритма ее функционирования обычно производится на основе их термодинамической модели. При этом основной мотивацией и критерием оптимизации, как правило, является стремление обеспечить, возможно, минимальное потребление энергии при ограничениях на капитальные затраты, габариты и т. д.

1.1.3 Функция «защитные функции и блокировки»

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

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

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

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

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

1.1.4 Функция «защита технологической аппаратуры и электрооборудования»

1. Контроль загрязненности фильтра.

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

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

2. Другие автоматические блокировки.

Кроме того, автоматические блокировки должны быть предусмотрены для:

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

- открывания и закрывания клапанов наружного воздуха при включении и отключении вентиляторов (заслонки);

- закрывания клапанов систем вентиляции для помещений, защищаемых установками газового пожаротушения при отключении вентиляторов систем вентиляции этих помещений;

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

1.1.5 Регулирующие функции

Регулирующие функции - автоматическое поддержание заданных параметров являются основными по определению для систем приточно-вытяжной вентиляции, работающей с переменным расходом, рециркуляцией воздуха, подогревом воздуха.

Эти функции выполняются с помощью замкнутых контуров регулирования, в которых принцип обратной связи присутствует в явном виде: информация об объекте, поступающая от датчиков, преобразуется регулирующими устройствами в управляющие воздействия. Приведен пример контура регулирования температуры приточного воздуха в канальном кондиционере. Температура воздуха поддерживается водяным калорифером, через который пропускается теплоноситель. Воздух, проходя через калорифер, нагревается. Температура воздуха после водяного калорифера измеряется датчиком (Т), далее ее величина поступает на устройство сравнения (УС) измеренного значения температуры и температуры установки. В зависимости от разности между температурой установки (T_уст) и измеренным значением температуры (Т_изм) устройство управления (Р) вырабатывает сигнал, воздействующий на исполнительный механизм (М - электропривод трехходового клапана). Электропривод открывает или закрывает трехходовой клапан до положения, при котором ошибка:

е = T_уст - Т_изм (1.1)

- будет минимальной.

Рис. 1.3 - Контур регулирования температуры приточного воздуха в воздуховоде с водяным теплообменником:

Где:

Т - датчик;

УС - устройство сравнения;

Р - регулирующее устройство;

М - исполнительное устройство.

Таким образом, построение системы автоматического регулирования (САР) на основании требований к точности и другим параметрам ее работы (устойчивости и др.) сводится к выбору ее структуры и элементов, а также к определению параметров регулятора. Обычно, это выполняется специалистами по автоматизации с использованием классической теории автоматического регулирования. Отмечу только, что параметры настройки регулятора определяются динамическими свойствами объекта управления и выбранным законом регулирования. Закон регулирования - взаимосвязь между входным (?) и выходным (U_р) сигналами регулятора.

Простейшим является пропорциональный закон регулирования, в котором ? и Uр связаны между собой постоянным коэффициентом К_п. Этот коэффициент и есть параметр настройки такого регулятора, который называют П-регулятор. Его реализация требует применения регулируемого усилительного элемента (механического, пневматического, электрического и т. п.), который может функционировать как с привлечением добавочного источника энергии, так и без него.

Одной из разновидностей П - регуляторов являются позиционные регуляторы, которые реализуют пропорциональный закон регулирования при К_п и формируют выходной сигнал U_р, имеющий определенное число постоянных значений, например, два или три, соответствующие двух- или трехпозиционным регуляторам. Такие регуляторы иногда называют релейными из-за сходства их графических характеристик с характеристиками реле. Параметром настройки таких регуляторов служит величина зоны нечувствительности Д_е.

В технике автоматизации систем вентиляции двухпозиционные регуляторы в виду простоты и надежности нашли широкое применение при регулировании температуры (термостаты), давления (пресс) и других параметров состояния процесса.

Двухпозиционные регуляторы используются также в системах автоматической защиты, блокировок и переключения режимов работы оборудования. В этом случае их функции выполняют датчики-реле.

Несмотря на указанные достоинства П - регуляторов, они обладают большой статической ошибкой (при малых значениях К_п) и склонностью к автоколебаниям (при больших значениях К_п). Поэтому при более высоких требованиях к регулирующим функциям систем автоматики по точности и устойчивости применяют и более сложные законы регулирования, например, ПИ - и ПИД - законы. Также регулирование температуры подогрева воздуха может быть выполнено П - регулятором, работающим по принципу балансировки: увеличивать температуру при ее значении, меньшем чем установка, и наоборот. Такая интерпретация закона также нашла применение в системах, не требующих высоких точностей.

1.2 Анализ существующих типовых схем автоматики вентиляции производственных цехов

Существует ряд стандартных реализаций автоматики системы приточно-вытяжной вентиляции, каждая и них имеет ряд преимуществ и недостатков. Отмечу, что несмотря на наличие множества типовых схем и разработок, весьма сложно создать такую САУ, которая бы была гибкой по настройкам относительно производства, на котором она внедряется. Таким образом, для проектирования САУ ПВВ необходим тщательный анализ существующей структуры вентиляции, анализ технологических процессов производственного цикла, а также анализ требований по охране труда, экологии, электрической и пожарной безопасности. Более того, зачастую проектируемая САУ ПВВ является специализированной относительно области своего применения.

В любом случае, в качестве типовых исходных данных на начальном этапе проектирования обычно принято рассматривать следующие группы:

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

2. Сведения о здании и помещениях: планы и разрезы с указанием всех размеров и отметок высот относительно уровня земли, указание категорий помещений (на архитектурных планах) в соответствии с противопожарными нормами, наличие технических площадей с указанием их размеров, расположение и характеристики существующих систем вентиляции, характеристики энергоносителей;

3. Сведения о технологическом процессе: чертежи технологического проекта (планы) с указанием размещения технологического оборудования, спецификация оборудования с указанием установленных мощностей, характеристики технологического режима - число рабочих смен, среднее количество рабочих в смен, режим работы оборудования, количество вредных выделений в воздушную среду (ПДК вредных веществ).

В качестве исходных данных для расчета автоматики системы ПВВ выносят:

- производительность существующей системы (мощность, воздухообмен);

- перечень параметров воздуха, подлежащих регулированию;

- пределы регулирования;

- работа автоматики при поступлении сигналов от других систем.

Таким образом, исполнение системы автоматики проектируется исходя из возложенных на нее задач с учетом норм и правил, а также общих исходных данных и схем. Составление схемы и подбор аппаратуры системы автоматики вентиляции выполняется индивидуально.

Приведем существующие типовые схемы систем управления приточно-вытяжной вентиляцией, охарактеризуем некоторые из них относительно возможности применения для решения задач дипломного проекта.

Рис. 1.4 - САУ прямоточной вентиляции:

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

Рис. 1.5 - САУ вентиляцией с тепло утилизаторами:

Построение САУ ПВВ с использованием тепло утилизаторов (рекуператоров) позволяет решать проблемы перерасхода электроэнергии (для электрических калориферов), проблемы выбросов в окружающую среду. Смысл рекуперации в том, что удаляемый безвозвратно воздух из помещения, обладающей температурой заданной в помещении, обменивается энергией с поступающим наружным воздухом, параметры, которого, как правило значительно отличаются от заданных. Т.е. зимой удаляемый теплый вытяжной воздух частично нагревает наружный приточный воздух, а летом более холодный вытяжной воздух частично охлаждает приточный воздух. В лучшем случае, на рекуперации можно уменьшить энергические затраты на обработку приточного воздуха на 80 %.

Технически рекуперация в приточно-вытяжной вентиляции осуществляется применением вращающихся тепло утилизаторов и систем с промежуточным теплоносителем. Таким образом, получаем выигрыш как на нагревании воздуха, так и на сокращении открытий заслонок (допускается большее время простоя двигателей, управляющих заслонками) - все это дает общий выигрыш в плане экономии электрической энергии.

Системы с рекуперацией тепла являются перспективными и активно и внедряются вместо старых вентиляционных систем. Однако, стоит отметить, что подобные системы стоят дополнительных капиталовложений, однако и срок их окупаемости, сравнительно мал, в то время как рентабельность очень высока. Также отсутствие постоянного выброса в окружающую среду повышает экологические показатели подобной организации автоматики ПВВ. Упрощенно работа системы с рекуперацией тепла из воздуха (рециркуляцией воздуха) представлена на рис. 1.6.

Рис. 1.6 - Работа системы воздухообмена с рециркуляцией (рекуперацией):

Перекрестные или пластинчатые рекуператоры (рис. 1.5 в, г) состоят из пластин (алюминиевых), представляющих систему каналов для протекания двух потоков воздуха. Стенки каналов являются общими для приточного и вытяжного воздуха и легко передают. Благодаря большой площади поверхности обмена и турбулентному течению воздуха в каналах добиваются высокой степени тепло утилизации (теплопередачи) при относительно низком гидравлическом сопротивлении. Эффективность пластинчатых рекуператоров доходит до 70%.

Рис. 1.7 - Организация воздухообмена САУ ПВВ на основе пластинчатых рекуператоров:

Утилизируется только явное тепло вытяжного воздуха т.к. приточный и вытяжной воздух некоим образом не смешиваются, а конденсат образующий при охлаждении вытяжного воздуха задерживается сепаратором и отводиться дренажной системой из сливного поддона.

Для предотвращения замерзания конденсата при низких температурах (до -15^оС), формируются соответствующие требования к автоматике: она должна обеспечивать периодическую остановку приточного вентилятора или отвод части наружного воздуха в обводной канал в обход каналов рекуператора.

Единственное ограничение в применении данного метода состоит в обязательном пересечении приточной и вытяжной ветки в одном месте, что в случае простой модернизации САУ накладывает ряд трудностей.

Системы рекуперации с промежуточным теплоносителем (рис. 1.5 а, б) - представляют собой пару теплообменников соединенных замкнутым трубопроводом.

Один теплообменник находится в вытяжном канале, а другой в приточном.

По замкнутому контуру циркулирует незамерзающая гликолевая смесь, перенося тепло от одного теплообменника до другого, причем в этом случае расстояние от приточной установки до вытяжной может весьма значительным.

Эффективность тепло утилизации при таком методе не превышает 60 %. Стоимость сравнительна велика, однако в некоторых случаях это может быть единственным вариантом тепло утилизации.

Рис. 1.8 - Принцип тепло утилизации с применением промежуточного теплоносителя:

Роторный тепло утилизатор (вращающийся теплообменник, рекуператор) - представляет собой ротор с каналами для горизонтального прохода воздуха.

Часть ротора находится в вытяжном канале, а часть - в приточном. Вращаясь, ротор получает тепло вытяжного воздуха и передает его приточному, причем передается как явное, так и скрытое тепло, а также влажность. Эффективность тепло утилизации максимальна и достигает 80 %.

Рис. 1.9 - САУ ПВВ с роторным рекуператором:

Ограничение на применение данного метода накладывает прежде всего то, что до 10 % вытяжного воздуха смешивается с приточным, а в ряде случаев это недопустимо или нежелательно (если воздух имеет значительный уровень загрязнения). Требования к конструкции аналогичны предыдущему варианту - вытяжная и приточная машина находится в одном месте. Этот способ дороже первого и реже находит применение.

В целом системы с рекуперацией стоят на 40-60 % дороже аналогичных систем без рекуперации, однако затраты на эксплуатацию при этом будут отличаться в разы. Даже при сегодняшних ценах на энергоносители время окупаемости системы рекуперации не превышает двух отопительных сезонов.

Хотелось бы отметить, что на энергосбережение влияют в том числе и алгоритмы управления. Однако, всегда следует учитывать, что все системы вентиляции рассчитываются на некоторые усредненные условия. Например, расход наружного воздуха определяли на одно количество людей, а реально в помещении может находиться менее 20 % от принятого значения, конечно в таком случае расчетный расход наружного воздуха будет явно избыточным, работа вентиляции в избыточном режиме приведет к необоснованной потере энергоресурсов. Логично в таком случае рассмотреть несколько режимов эксплуатации, например, зимний/летний. Если автоматика способна установить подобные режимы - экономия очевидна. Еще одни подход связан с регулированием расхода наружного воздуха в зависимости от качества газовой среды внутри помещения, т. е. система автоматики включает в себя газоанализаторы на вредные газы и подбирает значение расхода наружного воздуха таким образом, чтобы содержание вредных газов не превышало предельно-допустимых значений.

1.3 Маркетинговое исследование

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

- бытового и полупромышленного назначения;

- промышленного назначения;

- вентиляционное оборудование "специального" назначения.

Так как в дипломном проекте рассматривается проектирование автоматики для приточно-вытяжных систем производственных помещений, то для сравнения предлагаемой разработки с имеющимися на рынке необходимо выбрать подобные существующие пакеты автоматики известных производителей. Таким образом, в результате маркетингового исследования были рассмотрены несколько наиболее часто применяемых САУ ПВВ разных производителей, путем изучения их технической документации были получены сведения:

- состав соответствующего пакета САУ ПВВ;

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

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

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

- защитное исполнение (электробезопасность, пожарной безопасность, пыле защищенность, помехозащищенность, защищенность от влаги).

2. Описание вентиляционной сети производственного цеха как объекта автоматического управления

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

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

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

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

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

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

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

Другими словами, данный подход - распределено-централизованный подход с диспетчеризацией системы.

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

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

Поэтому реализация данного условия является скорее дополнительной опцией к проектированию пакета автоматики ПВВ.

2.1 Описание существующей системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов

Для обеспечения основного принципа вентиляции производственных цехов, заключающегося в поддержании в допустимых пределах параметров и состава воздуха, необходимо подавать чистый воздух к местам нахождения рабочих с последующим распределением воздуха по всему помещению.

Ниже на рис. 2.1 приведена иллюстрация типовой системы приточно-вытяжной вентиляции, подобная которой имеется на участке внедрения.

Вентиляционная система производственного помещения состоит из вентиляторов, воздуховодов, приемных устройств наружного воздуха, устройств для очистки поступающего и выбрасываемого в атмосферу воздух, устройства нагрева воздуха (водяной калорифер).

Проектирование существующей приточно-вытяжной вентиляционной систем велось в соответствии с требованиями СНиП II 33-75 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», а также ГОСТ 12.4.021-75 «ССБТ. Системы вентиляционные. Общие требования», в котором указаны требования при монтаже и пусконаладочных работах и эксплуатации.

Очистка загрязненного воздуха, выбрасываемого в атмосферу, осуществляется специальными устройствами - пыль отделителями (применяется на производственном участке литья под давлением), фильтрами воздуховодов и др. При этом необходимо учесть, что пыль отделители не требуют дополнительного управления и срабатывают при включении вытяжной вентиляции.

Также очистка вытянутого из рабочей зоны воздуха может выполняться в пылеосадочных камерах (только для крупной пыли) и электрофильтрах (для мелкой пыли). Очистка воздуха от вредных газов осуществляется с использованием специальных абсорбирующих и дезактивирующих веществ, в том числе и нанесенных на фильтры (в ячейках фильтрах).

Рис. 2.1 - Система приточно-вытяжной вентиляции производственного цеха:

Где:

1 - воздухозаборное устройство;

2 - калориферы для подогрева;

3 - приточный вентилятор;

4 - магистральный воздуховод;

5 - ответвления воздуховода;

6 - приточные насадки;

7 - местные отсосы;

8 и 9 - магистраль воздуховод вытяжной установки;

10 - пыли отделитель;

11 - вытяжной вентилятор;

12 - шахта выброса очищенного воздуха в атмосферу.

Автоматика существующей системы является сравнительно простой. Технологический процесс проветривания выглядит следующим образом:

1. начало рабочей смены - производится пуск системы приточно-вытяжной вентиляции. Вентиляторы приводятся в действие централизованным устройством запуска. Другими словами, пульт управления представляет собой два пускателя - для старта и аварийного останова/выключения. Смена продолжается 8 часов - с часовым перерывом, то есть система в среднем простаивает 1 час в рабочее время. Кроме того, подобная «блокировка» управления является экономически неэффективной, так как приводит к перерасходу электроэнергии. Следует отметить, что нет производственной необходимости, чтобы вытяжная вентиляция работала постоянно, целесообразно включать ее тогда, когда воздух загрязнен, либо, например, требуется отвод излишней тепловой энергии от рабочей зоны.

2. открытие заслонок воздухозаборных устройств также управляется местной запускающей аппаратурой, воздух с параметрами внешней среды (температура, чистота) за счет разницы в давлении затягивается в воздуховоды приточным вентилятором.

3. взятый из внешней среды воздух проходит через водяной калорифер, нагревается до допустимых температурных значений, и по воздуховодам через приточные насадки нагнетается в помещение. Водяной калорифер обеспечивает значительный нагрев воздуха, управление калорифером - ручное, специалист по электромонтажу открывает заслонку клапана. На летний период калорифер отключается. В качестве теплоносителя используется горячая вода, подаваемая от внутризаводской котельной. Не предусмотрена система автоматического регулирования температуры воздуха, вследствие чего происходит большой перерасход ресурса. Применение водяных калориферов экономически выгодно, так как они практически не требуют затрат электроэнергии (в сравнении с электрическими калориферами), питаются от собственной заводской котельной - отсутствие сторонних затрат на оплату нагрева воды.

4. запуск вытяжной системы происходит одновременно с приточной. Таким образом, система построена так, что вытяжная система функционирует даже при отсутствии в этом необходимости. Воздух забирается вытяжными зонтами и попадает в пылеочиститель (для данного цеха), либо проходит через абсорбирующие фильтры (забирают вредные примеси из воздуха) и, очищенный, выбрасывается в окружающую среду через общий вытяжной магистральный воздуховод. Вытяжной вентилятор создает достаточный перепад давлений для того, чтобы обеспечить местную вытяжку воздуха рабочих зон и организовать движение воздуха через фильтры и пыли отделители.

5. конец рабочей смены (или останов вентиляции на обеденный перерыв - как правило, в летний период) - вентиляция отключается, причем порядок отключения не регламентирован (человеческий фактор ошибки), заслонки воздухозаборных устройств закрываются. Таким образом, можно сделать вывод, что существующая в приведенном производственном помещении местная система управления приточно-вытяжной вентиляцией не является оптимальной, хотя и обеспечивает допустимые значения параметров микроклимата рабочей зоны. Кроме того, отсутствие регулировки режимов работы вентиляции, режимов подогрева и очистки воздуха влечет за собой огромные экономические затраты, которых можно избежать. Они сказываются и в перерасходе электроэнергии, и в снижении износостойкости вентиляционного оборудования, в уменьшении сроков наработки техники на отказ.

На основании проведенного анализа состояния системы автоматики ПВВ, а также существующего на предприятии технологического процесса подготовки воздуха было принято решение о модернизации системы путем организации системы автоматического управления и регулирования, позволяющей решать следующие задачи:

- управление приточными и вытяжными вентиляторами в автоматическом и ручном режиме управления, мониторинг состояния;

- управление воздушными заслонками;

- управление трехходовым клапаном (задача регулирования температуры);

- поддержание заданного микроклимата в помещении;

- защита калорифера от замораживания;

- выдача сигналов о состоянии фильтров.

Приведу упрощенную структурную схему САУ ПВВ с точки зрения входящих в нее подсистем и принципов управления ими (дистанционно, автоматически, местно). Данная схема (рис. 2.2) может быть рассмотрена как схема декомпозиции системы вентилирования с точки зрения участвующих в подготовке воздуха подсистем. Выделены наиболее важные блоки, требующие детального изучения и проработки.

Насос находится в заводской котельной и постоянно создает напор нагретой воды на заслонку трехходового клапан системы подогрева воздуха (водяной калорифер).

Управление циркуляционным насосом котельной и температурой подаваемого в калорифер теплоносителя не входит в задачи дипломного проектирования.

КПУ и АРМ выступают в роли опций и могут быть рассмотрены как перспективы развития проекта.

В рамках данного проекта ограничимся управлением устройствами приточно-вытяжной вентиляции и индикацией состояний исполнительных механизмов и системы на выбранном шкафе автоматики марки WAGO Stream.

Таким образом, были проанализированы подходы к решению задач дипломного проектирования, рассмотрены типовые схемы существующих автоматик систем ПВВ, а также выполняемые ими группы функций. Можно сделать выводы об актуальности проблемы, поднимаемой в дипломном проектировании.

На основании имеющихся исходных данных была проанализирована и декомпозирована существующая на заводе система автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов, отображены ее недостатки и недоработки.

Рис. 2.2 - Обобщенная структурная схема САУ ПВВ:

На основании требований ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», а также планов производственных помещений были сформулированы исходные данные (температура, скорость движения воздуха, требования к уровню ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны) и их диапазоны регулирования.

Были найдены и подчеркнуты недостатки существующего на предприятии технологического процесса вентилирования воздуха, в частности:

- отсутствие качественных режимов регулирования и управления;

- отсутствие связей с пожарной автоматикой;

- отсутствие централизованного мониторинга состояния системы;

- отсутствие защитных режимов работы калорифера.

3. Техническое предложение

На основании информации, представленной в разделах 1-2, сформируем цель, задачи и техническое предложение дипломного проекта.

Цель дипломного проекта - разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов.

Основными задачами являются:

1) изучение участка вентиляционной сети производственных помещений как объекта управления;

2) исследование математической модели тепловых процессов и процессов воздухообмена в производственных помещениях;

3) разработка алгоритмов управления системой вентилирования, с учетом отработки внештатных ситуаций (написание управляющей программы);

4) моделирование переходных процессов в системе автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией (процессы регулирования подогрева воздуха посредством использования водяного калорифера).

5) расчет эффективности капиталовложений и окупаемости разработанной системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией.

Таким образом, опишем необходимый функциональный минимум, которым по итогам проектирования и разработки должна обладать САУ ПВВ:

1. Контроль и регулирование параметров микроклимата рабочих зон производственных помещений (температура воздуха, скорость воздуха).

2. Контроль чистоты воздуха в рабочей зоне линий и станков с последующей очисткой вытянутого системой воздуха (нормы ПДК вредных веществ в воздушной среде).

3. Регулирование температуры в процессе подогрева воздуха в водяном калорифере, обеспечение защиты калорифера от переохлаждения (выбор закона регулирования, типа применяемого регулятора, разработка принципиальной схемы регулирования).

4. Режимы работы системы (оперативное управление):

- для приточной вентиляции:

а) режим «обычного притока»;

б) режим «экстренного притока» (для удаления продуктов горения или охлаждения помещения за счет увеличения скорости движения воздуха и ламинарного перемешивания потоков воздуха);

в) дежурный режим (при работе режима «экстренной вытяжки» или при получении сигналов от пожарной автоматики и сигналов о перегреве калорифера, режим простоя оборудования).

- для вытяжной вентиляции:

а) режим «обычной вытяжки» (сигнал с пылевых, температурных, газовых датчиков);

б) режим «экстренной вытяжки» (при получении сигнала от пожарной автоматики);

в) дежурный режим.

- для водяного калорифера:

а) режим нагревания воздуха (холодный период);

б) режим защиты от переохлаждения;

в) режим аварийного отключения (при перегреве).

Под дежурным режимом работы оборудования следует понимать начальный и аварийный режимы, то есть такие режимы, в которых система находится перед пуском или после получения сигнала об аварии.

5. Предусмотреть в управляющей программе индикацию аварийных состояний: загрязнение очистных блоков - фильтров (на основании обработки показаний с датчиков перепада давлений), поломка вентилятора, аварии калориферной установки, положение шиберов.

6. Управление заслонками воздуха забурников (шиберы) должно быть сопряжено с работой вентиляторов во избежание их поломки.

7. Предусмотреть как режим автоматического включения вентиляторов, так и режим ручного (местного) управления системой (в случае выхода автоматики из строя или технического обслуживания, диагностики и ремонта системы).

8. Предусмотреть связь САУ ПВВ с существующей в производственном цеху системой пожарной автоматики, а также алгоритм действия в случае возникновения подобных ситуаций.

9. Для управления выбирать режимы, являющиеся наименее «тяжелыми» для отработки на конечных установках (например, «разнесенный» по времени пуск асинхронных моторов вентиляторов, линейный запуск электроприводов).

Также в данном приложении кратко даны пояснения этапам, то есть то, чего необходимо достигнуть в результате выполнения проекта и какая информация при этом используются.

4. Математическая модель процесса вентиляции производственных помещений, выбор и описание средств автоматизации и элементов управления

Опишем в данном разделе основные элементы, входящие в систему управления, дадим им техническую характеристику и математическое описание. Более подробно остановимся на разрабатываемой системе автоматического регулирования температуры приточного воздуха, проходящего через калорифер.

Так как основным продуктом подготовки является температура воздуха, то в рамках дипломного проекта можно пренебречь построением математических моделей и моделированием процессов циркуляции и расхода воздуха.

Также данным математическим обоснованием функционирования САУ ПВВ можно пренебречь вследствие особенностей архитектуры помещений - значителен приток внешнего неподготовленного воздуха в цеха и склады через щели, зазоры. Именно поэтому при любом расходе воздуха практически невозможно состояние «кислородного голодания» у работников данного цеха.

Таким образом, построением термодинамической модели распределения воздуха в помещении, а также математическим описанием САУ по расходу воздуха пренебрегаем в виду их нецелесообразности. Остановимся более подробно на разработке САР температуры приточного воздуха.

В действительности, данная система является системой автоматического регулирования положения заслонки ЗРК в зависимости от температуры приточного воздуха. Регулирование - пропорциональный закон методом балансировки значений.

Представим основные элементы, входящие в САУ, приведем их технические характеристики, позволяющие выявить особенности управления ими. Руководствуемся при выборе оборудования и средств автоматизации их техническими паспортами и предыдущими инженерными расчетами старой системы, а также результатами проведенных экспериментов и испытаний.

...