Разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

автоматизация вентиляция схема

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

Проблема, рассматриваемая в курсовом проекте, обусловлена износом существующей системы автоматики ПВВ. В качестве объекта внедрения выбран участок литья под давлением (В-категория по пожаробезопасности), а также прилегающие к нему помещения - участок станков ЧПУ, планово-диспетчерское бюро, склады.

Задачи курсового 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 курсовом 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).

1. Аналитический обзор

1.1 Основные функции управления ПВВ

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 электрокалорифером. После снятия напряжения с электрокалорифера следует охлаждать его некоторое время, не выключая вентилятор приточного воздуха. В противном случае нагревательный элемент калорифера (тепловой электрический нагреватель - ТЭН) может выйти из строя.

Для существующих задач курсового 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 [3] 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 Регулирующие функции

Регулирующие функции - автоматическое поддержание заданных параметров являются основными по определению [3] для систем приточно-вытяжной вентиляции, работающей с переменным расходом, рециркуляцией воздуха, подогревом воздуха.

Эти функции выполняются с помощью замкнутых контуров регулирования, в которых принцип обратной связи присутствует в явном виде: информация об объекте, поступающая от датчиков, преобразуется регулирующими устройствами в управляющие воздействия. На рис. 1.3 приведен пример контура регулирования температуры приточного воздуха в канальном кондиционере. Температура воздуха поддерживается водяным калорифером, через который пропускается теплоноситель. Воздух, проходя через калорифер, нагревается. Температура воздуха после водяного калорифера измеряется датчиком (Т), далее ее величина поступает на устройство сравнения (УС) измеренного значения температуры и температуры уставки. В зависимости от разности между температурой уставки (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:

Т - датчик; УС - устройство сравнения; Р - регулирующее устройство;

М - исполнительное устройство

Таким образом, построение системы автоматического регулирования (САР) на основании требований к точности и другим параметрам ее работы (устойчивости, колебательности и др.) сводится к выбору ее структуры и элементов, а также к определению параметров регулятора.

Обычно, это выполняется специалистами по автоматизации с использованием классической теории автоматического регулирования. Отмечу только, что параметры настройки регулятора определяются динамическими свойствами объекта управления и выбранным законом регулирования. Закон регулирования - взаимосвязь между входным (?) и выходным (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 (прессостаты) и других параметров состояния процесса.

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

Несмотря на указанные достоинства П-регуляторов, они обладают большой статической ошибкой (при малых значениях 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 уставка, и наоборот. Такая интерпретация закона также нашла применение в системах, не требующих высоких точностей.

1.2 Варианты 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, электро- и пожаробезопасности. Более того, зачастую проектируемая САУ ПВВ является специализированной относительно области своего применения.

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

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

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

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

В качестве исходных данных для расчета автоматики системы ПВВ выносят:

-производительность существующей системы (мощность, воздухообмен);

-перечень параметров воздуха, подлежащих регулированию;

-пределы регулирования;

-работа автоматики при поступлении сигналов от других систем.

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

Приведем существующие типовые схемы систем управления приточно-вытяжной вентиляцией, охарактеризуем некоторые из них относительно возможности применения для решения задач дипломного проекта (рис. 1.4 - 1.5, 1.9).

Рис. 1.4 -САУ прямоточной вентиляции

Данные системы автоматики нашли активное применение на фабриках, заводах, в офисных помещениях.

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

Рис. 1.5- САУ вентиляцией с теплоутилизаторами

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

Технически рекуперация в приточно-вытяжной вентиляции осуществляется применением вращающихся теплоутилизаторов и систем с промежуточным теплоносителем.

Таким образом, получаем выигрыш как на нагревании воздуха, так и на сокращении открытий заслонок (допускается большее время простоя двигателей, управляющих заслонками) - все это дает общий выигрыш в плане экономии электроэнегрии.

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

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

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

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

Утилизируется только явное тепло вытяжного воздуха т.к. приточный и вытяжной воздух некоим образом не смешиваются, а конденсат образующий при охлаждении вытяжного воздуха задерживается сепаратором и отводиться дренажной системой из сливного поддона. Для предотвращения замерзания конденсата при низких температурах (до -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 теплоутилизации при таком методе не превышает 60 %. Стоимость сравнительна велика, однако в некоторых случаях это может быть единственным вариантом теплоутилизации.

Рис. 1.8 - Принцип теплоутилизации с применением промежуточного теплоносителя

Роторный теплоутилизатор (вращающийся теплообменник, рекуператор) - представляет собой ротор с каналами для горизонтального прохода воздуха. Часть ротора находится в вытяжном канале, а часть - в приточном. Вращаясь, ротор получает тепло вытяжного воздуха и передает его приточному, причем передается как явное, так и скрытое тепло, а также влажность. Эффективность теплоутилизации максимальна и достигает 80 %.



Рис. 1.9 - САУ ПВВ с роторным рекуператором

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

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

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

2. Описание технологического процесса, подлежащего автоматизации

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2.1 - Система приточно-вытяжной вентиляции производственного цеха

1 -воздухозаборное устройство; 2 -калориферы для подогрева; 3- приточный вентилятор;

4 - магистральный воздуховод; 5 - ответвления воздуховода; 6 - приточные насадки;

7 - местные отсосы; 8 и 9 - магистр. воздуховод вытяжной установки; 10 - пылеотделитель;

11 - вытяжной вентилятор; 12 - шахта выброса очищенного воздуха в атмосферу

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

1. Начало рабочей смены - производится пуск системы приточно-вытяжной вентиляции. Вентиляторы приводятся в действие централизованным устройством запуска. Другими словами, пульт управления представляет собой два пускателя - для старта и аварийного останова/выключения. Смена продолжается 8 часов - с часовым перерывом, то есть система в среднем простаивает 1 час в рабочее время. Кроме того, подобная «сблокированность» управления является экономически неэффективной, так как приводит к пере-расходу электроэнергии.

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

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

3. Взятый из внешней среды воздух проходит через водяной калорифер, нагревается до допустимых температурных значений, и по воздуховодам через приточные насадки нагнетается в помещение.

Водяной калорифер обеспечивает значительный нагрев воздуха, управление калорифером - ручное, специалист по электромонтажу открывает заслонку клапана. На летний период калорифер отключается. В качестве теплоносителя используется горячая вода, подаваемая от внутризаводской котельной.

Не предусмотрена система автоматического регулирования температуры воздуха, вследствие чего происходит большой перерасход ресурса.

Применение водяных калориферов экономически выгодно, так как они практически не требуют затрат электроэнергии (в сравнении с электрокалориферами), 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 пылеотделители.

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 курсового проекта.

Цель курсового 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 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 движения 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 воздухозаборников (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).

Решаемые в курсовом проектировании задачи структурированы и представлены в приложении Б. 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

4.1 Приточный и вытяжные центробежные вентиляторы

Обычный центробежный вентилятор представляет собой расположенное в спиральном кожухе колесо с рабочими лопастями, при вращении которого воздух, поступающий через входное отверстие, попадает в каналы между лопастями и под действием центробежной силы перемещается по этим каналам, собирается спиральным кожухом и направляется в его выпускное отверстие. Кожух также служит для преобразования динамического напора в статический. Для усиления напора за кожухом ставят диффузор. На рис. 4.1 представлен общий вид центробежного вентилятора.

Рис. 4.1 - Общий вид центробежного вентилятора

Характеристики вентиляторов выражают связь между основными параметрами его работы. Полная характеристика вентилятора при постоянной частоте вращения вала (n = const) выражается зависимостями между подачей Q и давлением Р, мощностью N и к. п. д. Зависимости P(Q), N(Q) и T(Q) обычно строят на одном графике. По ним подбирают вентилятор. Характеристику строят на основе испытаний. На рис. 4.2 представлена аэродинамическая характеристика центробежного вентилятора ВЦ-4-76-16

Рис. 4.2 - Аэродинамическая характеристика вентилятора ВЦ-4-76-16

Производительность вентилятора составляет 70000 м³/ч или 19,4 м³/с. Частота вращения вала вентилятора - 720 об/мин. или 75,36 рад/сек., мощность приводного асинхронного двигателя вентилятора составляет 35 кВт.

Вентилятор нагнетает наружный атмосферный воздух в калорифер. В результате теплообмена воздуха с горячей водой, пропускаемой через трубки теплообменника, происходит нагрев проходящего воздуха.

Рассмотрим схему регулирования режима работы вентилятора ВЦ-4-76 №16. На рис. 4.3 приведена функциональная схема вентиляторного агрегата при регулировании частотой вращения.

Рис. 4.3 - Функциональная схема вентиляторного агрегата, регулируемого изменением частоты вращения асинхронного двигателя (), ПЧ - преобразователь частот

Передаточную функцию вентилятора можно представить в виде коэффициента усиления, который определяется исходя из аэродинамической характеристики вентилятора (рис. 4.2). Коэффициент усиления вентилятора в рабочей точке равен 1,819 м³ /с (минимально возможный, установлено экспериментально).

(4.1)

Рис. 4.4 - Математическая модель центробежного вентилятора

Экспериментально установлено, что для реализации необходимых режимов работы вентилятора необходима подача на управляющий преобразователь частот следующих значений напряжения (табл. 4.1):

Таблица 4.1 Режимы работы приточной вентиляции

Наименование режима	Коэффициент усиления, м3 /с	Производительность, тыс. м3 /ч	Управляющее напряжение Uзf, В
Режим «обычного притока»	18,19 м3 /с	65,48 (n=650 об/мин)	8
Режим «экстренного притока»	19,31 м3 /с	69,52 (n=700 об/мин)	9

При этом для повышения надежности электродвигателя вентиляторов как приточной, так и вытяжной секции, нет необходимости задавать им режимы работы с максимальной производительностью. Задача экспериментальных исследования заключалась в нахождении таких управляющих напряжений, при которых соблюдались бы рассчитанные далее нормы кратности воздухообмена.

Вытяжная вентиляция представлена тремя центробежными вентиляторами марок ВЦ-4-76-12 (производительность 28000 м³/ч при n=350 об/мин, мощность асинхронного привода N=19,5 кВт) и ВЦ-4-76-10 (производительность 20000 м³/ч при n=270 об/мин, мощность асинхронного привода N=12,5 кВт).

Аналогично приточной для вытяжной ветви вентиляции были экспериментально получены величины управляющих напряжений (табл. 4.2).

Для предотвращения состояние «кислородного голодания» у рабочих цехов, рассчитаем нормы воздухообмена при выбранных режимах работы вентиляторов. Он должен удовлетворять условию:

. (4.2)

Таблица 4.2 Режимы работы вытяжной вентиляции

Наименование режима	Коэффициент усиления, м3 /с	Производительность, тыс. м3 /ч	Управляющее напряжение Uзf, В
Центробежный вентилятор ВЦ-4-76-12
Режим «обычной вытяжки»	4,97 м3 /с	17,82 (n=210 об/мин)	5
Режим «экстренной вытяжки»	6,31 м3 /с	22,72 (n=270 об/мин)	8
Центробежный вентилятор ВЦ-4-76-10
Режим «обычной вытяжки»	2,85 м3 /с	10,26 (n=110 об/мин)	5
Режим «экстренной вытяжки»	5,41 м3 /с	19,44 (n=250 об/мин)	9

В расчете пренебрежем приточным воздухом, поступающим извне, а также архитектурой здания (стены, перекрытия).

Размеры помещений под вентилирование: 150х40х10 м, общий объем помещения равен Vпомещ?60000 м³ . Необходимый объем приточного воздуха равен 66000 м³ /ч (для коэффициента 1,1 - выбран минимальным, так как не учтен приток воздуха извне). Очевидно, что выбранные режимы работы приточного вентилятора удовлетворяют поставленному условию.

Суммарный объем вытянутого воздуха рассчитаем по следующей формуле:

Для расчета вытяжной ветви выбраны режимы «экстренной вытяжки». С учетом поправочного коэффициента 1,1 (так как аварийный режим работы принят как наименее возможный) объем вытянутого воздуха будет равен 61,6 м³ /ч. Данное значение в рамках допустимых погрешностей и принятых ранее оговорок удовлетворяет условию, значит, выбранные режимы работы вентиляторов будут справляться с задачей обеспечения кратности воздухообмена.

Также в электродвигателях вентиляторов присутствует встроенная защита от перегрева (термостат). При возрастании температуры на двигателе релейный контакт термостата остановит работу электродвигателя. Датчик перепада давления зафиксирует остановку электродвигателя и выдаст сигнал на пульт управления. Необходимо предусмотреть реакцию САУ ПВВ на аварийную остановку двигателей вентиляторов.

4.2 Преобразователь частоты (ПЧ)

Регулировать работу центробежных вентиляторов возможно с помощью преобразователя частоты (ПЧ). Преобразователь частоты осуществляет регулирование частоты тока статора электродвигателя вентилятора в зависимости от сигнала задания. Скорость вращения ротора определяется частотой тока статора. В соответствии с теорией электрических машин частота вращения ротора асинхронного электродвигателя изменяется не мгновенно при изменении частоты тока статора. При изменении частоты тока статора возникает переходной процесс, при котором электродвигатель переходит в новое равновесное состояние, характеризующееся новой частотой вращения ротора. Время переходного процесса зависит от суммарного момента инерции вращающихся масс вентилятора и ряда других причин. Поэтому в первом приближении передаточную функцию ПЧ можно записать в виде апериодического звена. Передаточная функция запишется в следующем виде:

, (4.3)

где

- коэффициент преобразователя частоты;

К_j - коэффициент передачи, который характеризует степень изменения скорости вентилятора при изменении частоты тока статора двигателя;

Т_j - постоянная времени, характеризующая инерционность разгона вентилятора.

определяется по соотношению:

, (4.4)

где

- максимальная частота тока статора, U

Размещено на http://www.allbest.ru/

_{зf max} - максимальное напряжение, подаваемое с устройства управления (программируемого логического контроллера).

Рассчитаем К_j по формуле:

 , (4.5)

где

щ_Вmax - максимальная частота вращения вентилятора, которая равна:

Тогда, К_j будет равняться:

.

Постоянная времени Т_j определяется по выражению исходя из фактического времени разгона двигателем вентилятора, которое составляет T_разгон =10 сек. Поэтому:

, (4.6)

T_J=3 сек.

Передаточная функция преобразователя частоты представляется в виде:

. (4.7)

Расчет коэффициентов передаточной функции приведен для максимальной производительности приточного вентилятора. Так как в задачи дипломного проектирования не входит построение модели системы по расходу воздуха, то опустим расчеты значений остальных коэффициентов.

Для обеспечения плавного пуска электродвигателя входное управляющее напряжение рекомендуется подавать по линейному или экспоненциальному закону.

4.3 Калориферная установка

Калориферы предназначены для нагрева чистого воздуха в системах кондиционирования воздуха, вентиляции, воздушного отопления и в сушильных установках. Классифицировать применяющиеся в настоящее время калориферы можно по нескольким признакам. На рис. 4.5 приведена краткая классификация калориферов.

Теплоноситель (вода или пар) поступает через входной штуцер, проходит по трубкам и удаляется через выходной штуцер. Нагреваемый воздух обтекает внешние поверхности труб. По ходу движения воздуха трубки в калориферах могут располагаться в коридорном или шахматном порядке. В последнем случае обеспечиваются лучшие условия теплопередачи однако вместе с этим возрастает и сопротивление воздуха.

В одноходовых калориферах доступ теплоносителя из распределительных коробок открыт во все трубки и теплоноситель проходит по ним между распределительной и сборной коробками один раз.

Коробки многоходовых калориферов имеют поперечные перегородки, которые создают последовательное движение теплоносителя по трубкам. В таких калориферах скорость движения теплоносителя в трубках при одинаковом расходе по сравнению с одноходовыми больше, в связи с чем интенсивность теплопередачи возрастает. В то же время живое сечение трубок меньше, следовательно, больше сопротивление движимого теплоносителя. В ребристых калориферах наружная поверхность труб имеет оребрение, благодаря чему площадь теплопередающей поверхности увеличивается. Количество трубок ребристых калориферов меньше, чем у гладкотрубчатых, но технические показатели выше. Оребрение поверхностных трубок выполняется различными способами.

В пластинчатых калориферах ребра образованы стальными пластинами, насаженными на трубки.

В спирально-навивных калориферах ребра образуются навивкой стальной ленты. При этом за счет большого усилия при навивке обеспечивается плотный контакт между трубкой и лентой, что улучшает условия теплоотдачи. Однако при такой конструкции ребер сопротивление движению воздуха больше, чем у пластинчатых калориферов.

Рис. 4.5 - Классификация калориферов

Калориферная установка, используемая в производственном цеху - марки КВБ12-П (4 последовательно связанных калорифера). Предназначена для подогрева наружного воздуха, подаваемого в приточный канал вентиляции. Для г. Вологда диапазон температур наружного воздуха в зимний период составляет от -35^оС до +10^оС [5, стр.15].

В зимний период работы системы вентиляции нагрев воздуха осуществляется водой в теплообменнике. Калорифер данной марки изготовлен из металлических трубок с алюминиевым оребрением. В случае замерзания воды в этих трубках происходит их разрыв, что приводит к вытеканию воды из системы, и в дальнейшем требует ремонта или замены теплообменника.

Для защиты от замерзания воды необходимо предусмотреть комплекс

мероприятий:

· обеспечить скорость протекания воды не ниже минимально допустимой (обеспечивается выбором трехходового клапана - 13,8 м³/ч - пропускная способность, сила напора воды - постоянная, определяется производительностью циркуляционного насоса котельной);

· установить защиту по температуре воздуха;

· в случаи срабатывания защиты обеспечить отключение вентилятора, закрытие воздушного клапана и открытие регулирующего вентиля.

Для защиты по воздуху устанавливается капиллярный термостат. Капилляр устанавливается за теплообменником, перекрывая все сечение воздуховода. Термостат срабатывает при температуре воздуха 5°С, замыкая релейный контакт выдает сигнал в щит управления.

Температура теплоносителя равна +80^о - +95^оС, теплоносителем является вода, подаваемая в калорифер из заводской котельной. Наружный воздух нагревается, проходя через калорифер, нагнетаемый приточным центробежным вентилятором. На выходе калорифера температура воздуха проходящего через него составляет примерно 50^оС. Далее уже нагретый воздух проходит через сеть воздуховодов, попадает в заводские помещения и смешивается с находящимся там воздухом. Столь высокая температура подогрева воздуха обусловлена тепловым рассеиванием на поверхность воздухопроводов. Калориферная установка - центральный элемент разрабатываемой системы автоматического регулирования температуры приточного воздуха.

Математическая модель данной САР приведена на рис. 4.6.

Рис. 4.6 - Математическая модель САР температуры воздуха

Таблица 4.4 Пояснения к математической модели САР температуры воздуха

Обозначение	Пояснение
Wзу(s)	передаточная функция задающего устройства
Wy(s)	передаточная функция усилителя
Wдв(s)	передаточная функция электродвигателя
Wp(s)	передаточная функция редуктора
Wп(s)	передаточная функция проводящего звена (воздухопровод)
Wз(s)	передаточная функция заслонки
WT(s)	передаточная функция датчика температуры
ПЛК	программируемый логический контроллер (обведенные пунктиром структурные компоненты - составляют часть логического контроллера, работающего в форме П-регулятора с обратной связью по датчику температуры)
Координаты замкнутой САР
з	заданное значение температуры
Uз	напряжение, выдаваемое задающим устройством (регулятор)
U = Uз-Uт	напряжение, выдаваемое сравнивающим устройством
U	напряжение на выходе усилителя
д	угол поворота вала двигателя
р	угол поворота вала редуктора
з	угол поворота заслонки
д	действительное значение температуры пара

Передаточные функции элементов САР взяты из соответствующих технических паспортов на калорифер марки КВБ12-П и входящих в состав системы средств автоматизации, а также установлены путем наблюдения и проведения испытаний. Также учитывались консультации специалистов по обслуживанию аналогичных САР.

Кратко приведем передаточные функции и требования к САР ниже:

1.Передаточная функция пропорционального регулятора (задающее устройство):

W_зу(S) = K_зу , (4.8)

где

К_зу = 0,1 В/⁰С (установочная чувствительность ПЛК).

2. Передаточная функции электропривода:

, (4.9)

где

Т_м - механическая постоянная времени; Т_м = 0,4 с;

Т_э - электрическая постоянная времени; Т_э = 0,07 с;

К_дв - коэффициент передачи электропривода; К_дв = 24 угл.град/(сВ) (с учетом передаточного соотношения редуктора электропривода 0,0067).

В системе регулирования для управления трехходовым клапаном используется электрический привод марки REGIN S24 (рис.4.7) с управляющим напряжением 24В постоянного тока:

Рис. 4.7- Электропривод управления трехходовым клапаном REGIN S24

...