Разработка системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией

Данный электропривод имеет дискретный вход ("открыто", "закрыто", реле-пускатель на 5 В управляющего напряжения); аналоговый вход (для регулирования). Все это позволяет упростить процесс управления трехходовым клапаном. Принцип работы: в зависимости от пришедшего на вход управляющего напряжения вращает заслонку клапана в соответствующее процессу регулирования положение.

Отрабатывая управляющий дискретный сигнал, привод устанавливает регулирующий орган в крайнее положение ("открыто", "закрыто"). Для предотвращения выхода из строя регулирующего органа, последний снабжается концевыми выключателями, отключающими привод в крайних положениях. Привод оснащен возвратной пружиной, возвращающей исполнительный механизм привода в установленное состояние "закрыто" при аварийном сбое. Дискретный сигнал на выключение при управляющем сигнале по аналоговому выходу оставит заслонку в позиции, соответствующей подаваемому значению напряжения. Воспользуемся данной особенностью для обеспечения защиты калорифера от замерзания.

В конструкции приводов предусматривается ручная настройка концевых выключателей и ручное управление клапаном. Таким образом, реализуется местное управление калорифером.

Электроприводы с аналоговым входом могут передавать сигнал управления на регулирующий орган в виде:

а) "ступенек", когда каждая такая ступенька представляет собой импульс определенного уровня, направленный либо на увеличение, либо на уменьшение степени открытия клапана;

б) аналогового сигнала, воздействие которого уравновешивается компенсационным механизмом, который при ослаблении сигнала прикрывает, а при усилении - приоткрывает регулирующий орган (заслонку клапана).

Потребляемая мощность электропривода составляет 400 Вт.

Передаточную функцию электропривода в общем виде можно представить как совокупность передаточных функций апериодического звена II порядка и интегрирующего звена I порядка. Передаточную функцию найдём из выражения (4.9), предварительно приведя её к общему виду:

,

где

К_дв = 24 угл.град/(сВ) коэффициент передачи электродвигателя;

постоянные времени электродвигателя

(характеризуют его механическую и электрическую инерционность в совокупности).

Вычислим постоянные времени Т₁ и Т_2, используя разложение квадратного многочлена на множители:

c,

c.

Подставим полученные значения постоянных времени в выражение (4.10), представим передаточную функцию электродвигателя в числовом виде:

.

2. Передаточная функция заслонки трехходового клапана:

W_з(S) = К_з , (4.11)

где

К_з - коэффициент передачи заслонки; К_з = 4 ⁰С/угл.град (принята поправка на 0,25 ⁰С/угл.град в сторону уменьшения).

Клапан трехходовой имеет достаточно простое устройство. Он представляет собой корпус, имеющий два входных и одно выходное отверстие (рис.4.8):



Рис. 4.8 - Устройство трехходового клапана VXP45.20-4

В качестве регулирующего элемента в клапане, обычно, применяется шток (заслонка) специальной конструкции, который может двигаться в вертикальном направлении. При этом регулирующий элемент не осуществляет полное перекрытие клапана, а перераспределяет потоки жидкостей, тем самым производя их смешивание.

Трехходовой клапан производит регулирование температуры жидкости в автоматическом режиме, для чего он снабжен системой привода (рис. 4.7), которая, в свою очередь, получает сигналы от различных датчиков. Привод, который устанавливается на трехходовой смесительный клапан, может быть электрическим, пневматическим, гидравлическим и т.д. При этом наиболее широкое применение получил клапан трехходовой с электроприводом, который может осуществлять весьма точную регулировку.

Клапан трехходовой с электроприводом может управляться от датчиков давления или температуры, которые устанавливаются в соответствующих местах узлов обвязки.

4.Передаточная функция проводящего канала:

W_п(S) = К_п*е^-*S , (4.11)

где

К_п - коэффициент передачи воздухопровода; К_п = 0,9;

- время чистого запаздывания; = 0,009 с.

5. Передаточная функция датчика температуры:

, (4.12)

где

К_т - чувствительность датчика температуры; К_т = 0,1 В/⁰С;

Т_т - постоянная времени; Т_т = 0,05 с.

6. Передаточная функция усилителя (выполняет ПЛК): W_у(S) = К_у,

. (4.13)

Предъявим к проектируемой системе ряд требований: заданное значение температуры подготовленного воздуха _З = 50 ⁰С; величина перерегулирования должна составлять не более 30 %; время регулирования, определяющее быстродействие системы - не более 2 с; для расчетов - установившаяся ошибки по положению - отсутствует, по скорости - E = 5 % при U_з = 24 В/с.

Найдем общий коэффициент передачи разомкнутой САР: общий коэффициент передачи системы может быть получен из условия:

,

где - абсолютная ошибка, определяемая, как:

,

где E_% - установившаяся ошибка по скорости (в процентах).

Определим скорость изменения величины задающего воздействия , используя:

Подставим выражения для скорости изменения величины задающего воздействия (4.17) и абсолютной ошибки (4.15) в (4.14), получим окончательное выражение для общего коэффициента передачи разомкнутой системы:

,

где

Е_% = 5% - установившаяся ошибка по скорости при значении (В/с);

^oC - заданное значение температуры пара.

Найдём общий коэффициент передачи разомкнутой системы автоматического регулирования:

_.

Чтобы обеспечить систему некоторым запасом устойчивости, выберем общий коэффициент передачи замкнутой САР К_общ = 25 с^-1.

Рассчитаем коэффициент передачи усилителя разомкнутой системы :

,

где

К_у - искомый коэффициент передачи усилителя разомкнутой САР;

К_общ = 25 с ^-1- общий коэффициент передачи разомкнутой системы;

К_дв = 24 угл.град/сВ - коэффициент передачи электропривода;

К_з = 4 ⁰C/угл.град. - коэффициент передачи заслонки;

К_т = 0,1 В/⁰C - коэффициент передачи термопары;

К_п = 0,9 - коэффициент передачи воздуховода.

Подставив данные значения коэффициентов передачи отдельных звеньев в (4.3.8), получим значение коэффициента передачи усилителя разомкнутой САР:

Найдем передаточную функцию разомкнутой системы:

=

, (4.19)

где s - здесь и в дальнейшем - оператор Лапласа.

На основании (4.19) построим в программном комплексе ТАУ логарифмическую амплитудную (ЛАЧХ) и логарифмическую фазовую (ЛФЧХ) частотные характеристики разомкнутой системы:



Рис. 4.9 - ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы автоматического регулирования

На частотных характеристиках (рис. 4.9) видно, что критическая частота щ_крит = 0,69 Гц (фаза на ней равна -180^о) достигается раньше частоты среза щ_с = 3,21 Гц, при которой модуль передаточной функции равен 1, значит, данная система является неустойчивой (значение частоты среза больше значения частоты критической).

Получим передаточную функцию замкнутой системы: для этого упростим математическую модель САР, представленную на рис. 4.6:

Рис. 4.10 - Упрощенная математическая модель САР температурой воздуха

Согласно упрощенной структурной схеме, запишем передаточную функцию замкнутой системы управления относительно задающего воздействия:

.

Точность работы системы характеризуется установившимся значением ошибки. Значит, целесообразно записать передаточную функцию замкнутой системы управления по ошибке относительно задающего воздействия:

.

Поясним обозначения в выражениях (4.20), (4.21):

W_зу(s) =К_зу - передаточная функция задающего устройства;

- передаточная функция разомкнутой системы;

- передаточная функция прямой цепи замкнутой системы;

- передаточная функция датчика температуры.

Подставим данные выражения в (4.20), получим выражение для передаточной функции замкнутой системы относительно задающего воздействия в общем виде:

.

Подставим данные выражения в (4.21), получим выражение для передаточной функции замкнутой системы по ошибке относительно задающего воздействия в общем виде:

.

На основании (4.22) и числовых значений параметров, построим в программе ТАУ ЛАЧХ (логарифмическую амплитудную) и ЛФЧХ (логарифмическую фазовую) замкнутой системы (рис.4.11):

Рис. 4.11 - ЛАЧХ и ЛФЧХ замкнутой системы автоматического регулирования

Получим качественные характеристики системы, построив ее переходный процесс (рис. 4.12).



Рис. 4.12 - Переходная характеристика замкнутой САР с качественными характеристиками

Очевидно, что переходный процесс, представленный на рис. 4.12 - расходящийся, следовательно, необходимо рассчитать для САР корректирующее устройство, чтобы затем на основе его математической модели разработать алгоритм управления системой, который отвечал бы поставленным техническим условиям. О неустойчивости существующей системы также свидетельствует оценка устойчивости согласно критерию Найквиста по частотным характеристикам разомкнутой ее составляющей: значение частоты среза больше критического значения частоты для данной системы.

Таким образом, задача проектирования САР температуры приточного воздуха сводится к задаче синтеза системы управления с целью обеспечения желаемых характеристик.

Обычно корректирующее устройство включается в цепь регулятора, тем самым изменяется передаточная функция регулятора. Наиболее часто применятся последовательное корректирующее устройство, однако имеются также параллельное корректирующее устройство и корректирующие обратные связи. Последовательное корректирующее устройство достаточно просто рассчитывается и вводится в систему. Обычно оно представляет собой электронную схему на входе исполнительного механизма регулятора. Также данное корректирующее устройство может быть реализовано программно. Последовательное корректирующее устройство позволяет обеспечить предъявленные к системе требования по качеству переходного процесса и точности работы, но не уменьшает чувствительность системы к изменению параметров элементов системы.

Рассчитаем последовательное корректирующее устройство с использованием программы ТАУ.

Наиболее часто для расчёта корректирующих устройств используется частотный метод синтеза с помощью логарифмических частотных характеристик. Он основан на том, что логарифмическая амплитудная частотная характеристика (ЛАЧХ) разомкнутой системы однозначно определяется её передаточной функцией и наоборот. Следовательно, на основе предъявленных к системе требований можно сформировать желаемый вид логарифмической амплитудной частотной характеристики, а затем по неё сформировать требуемую передаточную функцию разомкнутой системы.

Процесс частотного синтеза системы представляет собой 2 этапа:

1. Построение располагаемой логарифмической амплитудной частотной характеристики разомкнутой системы.

2. Построение желаемой логарифмической амплитудной частотной характеристики разомкнутой системы.

Располагаемая ЛАЧХ (рис. 4.9) приведена в соответствии с выражением (4.19) и числовыми значениями параметров.

Желаемая логарифмическая амплитудная частотная характеристика может быть сформирована, исходя из заданных требований к САР по точности и качеству переходного процесса. Точность определяется значениями установившихся ошибок, а качество переходного процесса - величиной перерегулирования и временем регулирования - значением времени, по истечении которого система начинает работать с заданной точностью.

Низкочастотная часть ЛАЧХ формируется из условия обеспечения требуемой точности системы в установившемся режиме. В нашем случае система имеет нулевую позиционную ошибку, но имеет ошибку по скорости значит, является системой, отслеживающей линейно нарастающее входное воздействие.

Среднечастотный участок желаемой ЛАЧХ строится из условия обеспечения основных показателей качества переходного процесса - перерегулирования и времени регулирования. Требуемые показатели могут быть достигнуты, если среднечастотный участок желаемой ЛАЧХ пересекает ось частот на частоте среза _с и имеет наклон -20 дб/дек. Частоту среза _с и требуемые запасы устойчивости по амплитуде L_h и фазе можно определить по номограмме Солодовникова, исходя из заданных значений t_р = 3 с и = 30.

Среднечастотный участок желаемой ЛАЧХ сопрягается с низкочастотным отрезком ЛАЧХ, имеющим наклон -40 дб/дек или -60 дб/дек. Рекомендуется выбирать наклон -60 дб/дек.

Высокочастотный участок желаемой ЛАЧХ проводится параллельно высокочастотному участку располагаемой ЛАЧХ.

Построим располагаемую ЛАЧХ системы (рис. 4.13):

Рис. 4.13 - Располагаемая и желаемая (штрих.) ЛАЧХ САР температуры

Исходя из проведённого анализа участков желаемой ЛАЧХ построим желаемую ЛАЧХ системы:

Рис. 4.14 - Желаемая ЛАЧХ нескорректированной САР температуры

Для реализации качественных законов регулирования выберем последовательное корректирующее устройство (ПКУ). В этом случае желаемая передаточная функция разомкнутой системы примет вид:

, (4.22)

где

W_ПКУ(s) - передаточная функция последовательного корректирующего устройства;

W_р(s) - передаточная функция располагаемой системы.

Логарифмическую амплитудную частотную характеристику желаемой системы можно найти, как:

. (4.23)

Выразим L_пку(щ) из (4.23):

.

Получим передаточную функцию последовательного корректирующего устройства:

, (4.25)

где

Т_Ж1,Т_Ж2, Т_Ж3 - постоянные времени желаемой системы,

Т₁=0,09 с - первая постоянная времени электродвигателя;

Т₂=0,31 с - вторая постоянная времени электродвигателя;

Т_Т=0,05 с - постоянная времени термопары.

Для того, чтобы рассчитать значения желаемых постоянных времени Т_Ж1,Т_Ж2, Т_Ж3 и построить ЛАЧХ корректирующего устройства, уточним передаточную функцию желаемой системы.

Для получения желаемой передаточной функции замкнутой системы относительно задающего воздействия воспользуемся выражением (4.20):

,(4.20)

где

W_зу(s) =К_зу - передаточная функция задающего устройства;

- передаточная функция прямой цепи,

W_ж(s) - желаемая передаточная функция разомкнутой системы ;

- передаточная функция датчика температуры.

Подставив известные значения постоянных времени и коэффициентов передачи, получим передаточную функцию желаемой замкнутой системы:

, (4.26)

где

Т_Ж1=2,293 с, Т_Ж2=1,086 с, Т_Ж3=0,027 с, Т_Т = 0,05 с, 25 с^-1, =0,009 с;

Для построения переходного процесса в выражении (4.26) заменим e^-s на :

. (4.27)

Представим переходную характеристику желаемой системы после коррекции (рис.4.15) и оценим показатели качества полученной САР:

Рис. 4.15 - Переходная характеристика скорректированной САР с показателям качества

Так как полученная величина перерегулирования, определяющая устойчивость, а также время регулирования, определяющее быстродействие желаемой системы, удовлетворяют условиям, предъявляемым к проектируемой САР температуры приточного воздуха, то можно выполнить переход к построению модели корректирующего устройства.

Проверим запасы устойчивости желаемой системы с последовательным корректирующим устройством, характеризующие близость системы к границе устойчивости:

Таблица 4.5 Запасы устойчивости системы

щ, рад/с	L, дБ	Y, угл. град
5,64	0,00	-129,0
17,79	-12,5	-180,0

Запас устойчивости по амплитуде L_h=12,5 дБ, запас устойчивости по фазе м=51^o.

Очевидно, что система проектируемая система будет обладать хорошими запасами устойчивости по амплитуде и фазе.

Подставим числовые значения постоянных времени в (4.27), представим ЛАЧХ и ЛФЧХ последовательного корректирующего устройства (рис. 4.16):

Рис. 4.16 - ЛАЧХ и ЛФЧХ последовательного корректирующего устройства

Программная реализация корректирующего устройства предусматривает использование в своем составе импульсной системы - системы, где как минимум одна из описываемых систему координат подвергается квантованию по времени. Квантованные по времени величины при помощи импульсной модуляции преобразуются в чередование импульсов. Таким образом, импульсную систему для программной реализации целесообразно представить в виде комбинации импульсного элемента (осуществляет процесс квантования величины по времени с преобразованием её в последовательность импульсов) и непрерывной части, составленной из типовых динамических звеньев (заданная система с включенным в нее ПКУ). Забегая вперед, необходимо отметить, что функцию сравнивающего устройства, а также функцию последовательного корректирующего устройства будет выполнять программируемый логический контроллер марки WAGO I/O SYSTEM.

Представим математическую модель САР с включенным на вход импульсным элементом (рис. 4.17):

Рис. 4.17 - Схема САР с включенным в нее импульсным элементом:

g - задающее воздействие; y1 - сигнал, получаемый с импульсного элемента;

y - выходное воздействие; НЧ - непрерывная часть системы; ФЭ - формирующий элемент;

ПНЧ - приведенная непрерывная часть системы; W_ПКУ(s) - передаточная функция непрерывной части системы (последовательного корректирующего устройства)

Дискретную передаточную функцию W_ПКУ(z) последовательного корректирующего устройства целесообразно получить через передаточную функцию непрерывной части системы W_нч(S).

Выражение для дискретной передаточной функции разомкнутой импульсной системы представим в следующем виде:

,

где

- импульсная функция последовательной непрерывной части.

Для практического расчёта в целях упрощении рекомендуется представить передаточную функцию в виде следующего выражения:

,

где

.

В нашем случае импульсный элемент формирует последовательность прямоугольных импульсов длительностью , где г - величина скважности импульса). Тогда расчетное соотношение для дискретной передаточной функции разомкнутой импульсной системы примет вид:

{ W_нч(s) }= W₁(z,) W₁(z,),

где

{ W_нч(s) }; { W_нч(s) }.

В рамках дипломного проекта используем импульсный элемент контроллера, который генерирует прямоугольные импульсы, длительность которых совпадает с периодом дискретности, т. е. значение скважности г = 1. Данный формирующий элемент носит название экстраполятора нулевого порядка или запоминающего элемента. Дискретная передаточная функция тогда примет вид:



Согласно (4.31) можно определить дискретную передаточную функцию W_ПКУ(z) корректирующего устройства, учитывая, что W_НЧ(s) =W_ПКУ(s):

.

Представим переходную характеристику W_ПКУ(s) (рис. 4.18):

Рис. 4.18 - Переходная характеристика последовательного корректирующего устройства

Исходя из представленной переходной характеристики, осуществим выбор частоты дискретизации: Т=0,002с период дискретности, следовательно, частота дискретизации f _{дискрет} = 500 Гц.

Получим следующее выражение для дискретной передаточной функций:

.

Коэффициенты дискретной передаточной функции представлены в табл. 4.6. Для проверки правильности выбора частоты дискретизации приведем переходную характеристику дискретной передаточной функции последовательного корректирующего устройства W_ПКУ(z) (рис. 4.19).

Таблица 4.6 Полученные в результате преобразований значения коэффициентов

Коэффициент	Значение	Коэффициент	Значение
b0	15,5	a0	1
b1	-76,8	a1	-4,9
b2	152,6	a2	9,6
b3	-151,5	a3	-9,4
b4	75,2	a4	4,6
b5	-14,9	a5	-0,9

Рис. 4.19 - Переходная характеристика дискретной передаточной функции ПКУ W_ПКУ(z)

При сравнении двух характеристик (рис. 4.18, 4.19) видно, что визуально они практически не отличаются, что свидетельствует о верно выбранном значении периода, а, значит, и частоты дискретизации.

Для удобства программной реализации последовательного корректирующего устройства целесообразно составить разностное уравнения по дискретной передаточной функции W_ПКУ(z). Для этого домножим числитель и знаменатель W_ПКУ (z) на z^-n, где n - максимальный порядок передаточной функции (в нашем случае n=5):

.

В результате домножения получим выражение для дискретной передаточной функции:

.

Представим выражение (4.34) в виде разностного уравнения:

Решением полученного разностного уравнения при нулевых начальных условиях y[n],f[n] для всех n<0 будет решение вида:

Подставляя значения коэффициентов (табл. 4.6), найдём искомое выражение для y[n].

Таким образом, необходимо и достаточно реализовать функцию регулирования согласно (4.36), которая бы по программе на ЭВМ (автоматизированное рабочее место оператора, одно из направлений доработок проекта) осуществляла качественное регулирование температуры воздуха калорифера. Однако, данная функция является нереализуемой на выбранном ПЛК, так как нет поддержки механизмов очередей.

Так как высоких требований к точности регулирования температуры не предъявляется, то целесообразно управлять электроприводом REGIN S24 через аналоговый вход, подавая значения напряжения на перемещение позиции заслонки в клапане. Тогда диапазон движения заслонки будет напрямую зависеть от подаваемого уровня напряжения, или, другими словами, позиция заслонки будет определяться внесенными настройками. Воспользуемся регулированием по принципу балансировки.

Исходя из технического паспорта на электропривод REGIN S24 получим таблицу данных для качественного процесса регулирования температуры воздуха. Максимальное значение напряжения, подаваемое на аналоговый вход электропривода - 24 В. Подобный процесс регулирования был промоделирован в данном пункте, он является устойчивым и отвечает требованиям качества переходного процесса в системе.

Таким образом, приведем таблицу соответствия значений входного напряжения и позиций перемещения заслонки. Данные расчетов, необходимые для разработки управляющей программы ПЛК, приведены в табл. 4.7. В итоге получим электропривод, управляемый пропорциональным регулятором (балансирование), функции которого - формировать определенный уровень напряжения в зависимости от сравнения текущей температуры воздуха в паропроводе со значением температуры уставки, будет выполнять выбранный ПЛК. Коэффициент передачи регулятора рассчитаем по формуле (4.37):

(4.37)

Шаг изменения положения - на каждый 1 Вольт поданного напряжения от ПЛК заслонка меняет положение на 3,75 угл. градуса.

Таблица 4.7 Данные для качественного регулирования температуры воздуха

Управляющее напряжение, Uвх	Положение заслонки, угл. град	Управляющее напряжение, Uвх	Положение заслонки, угл. град
1	3,75	13	48,75
2	7,5	14	52,5
3	11,25	15	56,25
4	15	16	60
5	18,75	17	63,75
6	22,5	18	67,5
7	26,25	19	71,25
8	30	20	75
9	33,75	21	78,75
10	37,5	22	82,5
11	41,25	23	86,25
12	45	24	90

Данные из табл. 4.7 необходимы для написания управляющей программы САР температурой приточного воздуха. Полужирным шрифтом в таблице выделен режим защиты калорифера от переохлаждения - уровень клапана открыт на 25% во время простоя системы в зимний период. В летний период работы клапан будет закрыт и зафиксирован подачей дискретного импульса «закрыт». При этом необходимо будет программно связать управление электродвигателем в аварийных режимах работы - перегрев и переохлаждение калорифера.

4.4 Общая модель САУ приточной вентиляции по процессу подготовки температуры воздуха

Таким образом, в соответствии с рассмотренными в предыдущих пунктах устройствами автоматизации, принципами их управления и регулирования, можно составить тактовую циклограмму процесса вентилирования помещений в разных ситуациях. Циклограмма последовательности работы механизмов и узлов оборудования, входящего в состав системы, является практически алгоритмом ее работы и служит исходной информацией для создания системы управления всем участком вентиляции. Следует отметить отсутствие необходимости включать в циклограмму все механизмы комплекса, т.к. многие группы механизмов управляются самостоятельно от своих систем управления. Такт здесь - это отдельное действие механизма, связанное с изменением его положения или состояния. Циклограмма работы системы приточно-вытяжной вентиляции в ряде ситуаций приведена в приложении В. На ней отображены устройства каналов приточной и вытяжной системы, в том числе и калориферная установка.

Разработку математической модели переходных процессов в наиболее простом варианте начнем с описания процессов, происходящих в приточной вентиляционной системе, обслуживающей некоторое помещение. Теплообменник регулируется по сигналу от датчика температуры воздуха, находящегося в этом помещении и реагирующего на ее отклонение от заданной установки. Следовательно, контур регулирования является замкнутым. При этом предусматривается качественно-качественный способ регулирования, т.е. колебания теплопоступлений и теплопотерь в помещении устраняются за счет изменения температуры приточного воздуха при постоянном его расходе. В свою очередь, температура притока изменяется вследствие подмешивания того или иного количества охлажденной воды из обратного трубопровода через трехходовой клапан к горячей воде, поступающей в теплообменник, также при постоянном общем ее расходе.

Структурная схема САУ для системы обеспечения микроклимата в помещении представлена на рис. 4.28. При ее построении учтено, что в силу принятого способа регулирования входным параметром для помещения, выбранного в качестве объекта регулирования, являются переменные теплопоступления или теплопотери Q, Вт, а выходным - температура воздуха в помещении tв, °C. Собственно САУ вместе с системой вентиляции в этом случае играют роль отрицательной обратной связи для помещения по каналу «Q - tв».



Рис. 4.28 - Структурная схема приточной ветви САУ ПВВ: Wрег - передаточная функция регулятора;

Wио - передаточная функция исполнительного органа (трехходовой кран с электроприводом);

WTO - передаточная функция технического объекта (трубопровод);

WП - передаточная функция помещения; WД - передаточная функция датчика; группа блоков, находящихся в обратной связи, рассчитана в п.4.3;

U1...U6 обозначают сигналы после промежуточных звеньев системы

Тогда математическая модель переходного процесса в САУ будет иметь вид:

.

В соответствии с ранее данным определением и схемой САУ, приведенной на рис. 4.28, по физическому смыслу Wсист здесь представляет изменение температуры t_в с течением времени при единичном тепловом воздействии, т.е. при Q = 1 Вт.

Следовательно, размерность Wсист должна быть [К/Вт]. Тогда передаточная функция САУ при использовании позиционного регулятора в линейном варианте будет выглядеть следующим образом:

,

где

al ... a7 - коэффициенты, получающиеся при подстановке в (4.38) передаточных функций элементов САУ с учетом их коэффициентов передачи и постоянных времени;

р - некоторый комплексный параметр, имеющий размерность с-1.

Выражение (4.39) представляет переходный процесс в виде изображения, получаемого из переходной функции-оригинала с помощью интегрального преобразования Лапласа.

Рекомендуется получать значение оригинала переходной функции, используя приближенное аналитическое моделирование. Его сущность заключается в формальной замене оператора р на 1/ф, где ф - время с момента воздействия на систему, с. Такая замена базируется на соображениях, вытекающих из анализа размерностей. Как показывают расчеты на простейших примерах, данный прием позволяет достаточно точно определить характер поведения переходной функции, применяя несложный математический аппарат. Погрешность вычисления максимального отклонения при этом не превышает 15...20%, что вполне достаточно для инженерных расчетов.

Подставим известные передаточные функции, полученные в п.4.3, в выражение (4.38), смоделируем процесс регулирования температуры воздуха в помещении, при этом пренебрежем величиной теплопотерь Q. Процесс моделирования проведем для ряда выбранных значений входных напряжений из табл. 4.3.4 и коэффициента передачи пропорционального регулятора kp=3,75 (угл. град/В) в программе VisSim (рис. 4.29 - 4.30). Так как диапазоны регулирования и значение коэффициента передачи малы, то это не приведет к сильному ухудшению качества работы системы. Чем больше выбран пропорциональный диапазон регулирования, тем большей будет величина статистической ошибки. При малой величине пропорционального диапазона увеличивается время переходных процессов, и при некоторых условиях может возникнуть автоколебательный (незатухающий) процесс в контуре регулирования.

Передаточную функцию помещения без учета его динамического сопротивления, рекомендуется принять за:

, (4.40)

где

. (4.41)

Здесь V - объем помещения, м3; c=1005 Дж/(кг_К), и с=1,225 кг/м3 - соответственно удельная теплоемкость и плотность внутреннего воздуха.

Если учитывать динамическое сопротивление помещения, то его модель значительно усложнится и станет зависимой от таких параметров, как, например, теплопотери Q. Но это принципиально для небольших помещений с низкими потолками, а для высоких объемных помещений может быть использована принятая (4.40) модель. Иначе, динамический характер без соответствующей термодинамической модели распределения тепловых потоков несет за собой огромные погрешности вычислений.

Таким образом, подставив числовые значения объявленных величин, рассчитаем, что значение начального коэффициента равно: 13,54*10^-9 Дж/К.

Модель САУ ПВВ по регулированию температуры воздуха калорифера, выполненная в среде моделирования VisSim v6.0, приведена в приложении Г.



Рис. 4.29- Переходный процесс приточной ветви САУ ПВВ по регулированию температуры при Uвх=6 В и kp=3,75 угл. град/В (перерегулирование - 31 %, время регулирования - 1,53 с)

Как видно из графика переходного процесса (рис. 4.29) требования к качеству работы системы выполняются при небольших значениях входного напряжения, САР температуры воздуха относительно регулирования по положению заслонки работает с заданной точностью.

Как видно из графика переходного процесса (рис. 4.30), регулирование посредством изменения управляющего напряжения удовлетворяет качественным требованиям переходного процесса, при самом большом значении входного напряжения 24 В (заслонка полностью открыта) качественные показатели хуже, чем при регулировании с применением программно реализованной функции ПКУ, однако можно сделать вывод о возможности применения предложенного способа регулирования. Также видно, что у системы появилась установившаяся ошибка - следствие использования принципа пропорционального регулирования, впрочем, находящаяся в допустимом коридоре точности - 5%, а также склонность к автоколебательному процессу.



Рис. 4.30- Переходный процесс приточной ветви САУ ПВВ по регулированию температуры при Uвх=24 В и kp=3,75 угл. град/В (перерегулирование - 39%, время регулирования - 1,85 с)

Таким образом, по итогам описания технических средств автоматизации, входящих в состав САУ ПВВ, а также составления их математических моделей и режимов и параметров для управления ими, определения значений констант, можно приступать к разработке управляющей программы ПЛК.

4. Обоснование выбора управляющего ПЛК

Центральным звеном проектируемой системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией производственных цехов и помещений является управляющий элемент - программируемый логический контроллер (ПЛК) фирмы WAGO серии I/O System. Данный контроллер предназначен для удаленного сбора данных на основе различных промышленных сетей. Критериями выбора данного контроллера выступают:

- компактность;

- возможность принимать/передавать дискретные, аналоговые, числоимпульсные сигналы, а также обмениваться данными с различными специальными устройствами;

- высокое быстродействие и достаточный для хранения управляющей программы и данных объем памяти;

- большое количество информационных каналов, позволяющих без наращивания модулей контроллера охватить все решаемые в дипломном проектировании задачи;

- простота программирования и отладки управляющей программы микроконтроллера, поддержка стандартных языков программирования;

- высокая степень защиты от помех, пыли, влаги, короткого замыкания, скачков напряжения.

Всеми поставленными требованиями выбранный ПЛК обладает. Идеология WAGO I/O основана на предоставлении разработчику максимальных возможностей в конфигурировании, наращивании и обслуживании системы.

Подключение к различным промышленным сетям осуществляется путем применения соответствующих базовых контроллеров, при этом состав модулей ввода/вывода может оставаться неизменным.

С другой стороны, пользователю предоставлена возможность максимально гибко изменять состав каналов ввода/вывода за счет использования модулей, рассчитанных на подключение 4-х, 2-х или одного канала ввода/вывода. Это дает значительную экономию средств по сравнению с традиционными ПЛК, имеющими, как правило, модули, рассчитанные на 16/8 каналов ввода/вывода, за счет уменьшения избыточности системы.

В WAGO I/O отсутствует традиционное для практически всех PLC объединительное шасси. Механическим соединителем для отдельных модулей ввода/вывода является стандартный монтажный DIN-рельс, а электрическим -- надежные лепестковые контакты внутренней шины.

Состав выбранного логического контроллера представлен на рис. 5.1.

Контроллер может выполнять некий управляющий алгоритм, на основании которого он и управляет состоянием своих выходных модулей напрямую, без участия компьютера верхнего уровня. Программирование таких контроллеров осуществляется с помощью стандартного технологического языка программирования WAGO I/O PRO32 стандарта МЭК 61131.3.

Загрузка управляющих программ может быть осуществлена как локально, через диагностический порт контроллера WAGO I/O, так и дистанционно, по сети Fieldbus (если использовать локальную сеть предприятия). Таким образом, выбранный ПЛК может осуществлять управление исполнительными механизмами на основе сбора информации от датчиков как через стандартные кабели (МКЭШ, КВВГ), так и с использованием локальной сети предприятия. Однако, из-за устаревания сетевого оборудования и ЛВС ОАО «ВОМЗ» вариант реализации САУ ПВВ с использованием действующей локальной сети не рассматривается. Данный вариант - одно из направлений модернизации проекта, направленное на масштабирование разработанной системы на все цеховое вентиляционное оборудование.



Рис. 5.1 - Элементы ПЛК WAGO I/O System

Основные технические характеристики программируемых контроллеров WAGO I/O приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 Технические характеристики ПЛК WAGO I/O

Наименование	Численное значение
Объём памяти программ	32 кбайт
Объём памяти данных	32 кбайт (16х2 кбайт)
Максимальное число программных инструкций	около 3000
Количество одновременно выполняемых программ	1
Гарантированное время цикла исполнения программы	около 3 мс для программы из 1000 инструкций (включая время обмена с модулями ввода/вывода)
Система программирования	WAGO I/O PRO32, в стандарте МЭК 61131.3
Поддерживаемые языки программирования:	Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD), Structured Function Chart (SFC), Instruction List (IL), Structured Text (ST)
Требования по питанию	24 В, 500 мА
Диапазон рабочих температур	0…50°С
Суточная потребляемая мощность	1,2 кВт

Модули ввода/вывода обеспечивают сопряжение внешних сигналов с внутренней шиной. Модули позволяют подключать датчики и исполнительные устройства, а также содержат цепи гальванической развязки и индикаторы состояния каналов. Различаются несколько основных групп модулей ввода/вывода:

- модули ввода дискретных сигналов: маркируются желтым цветом. Позволяют подключать любые дискретные датчики с рабочим напряжением 24, 48, 220, по 2-, 3- и 4-хпроводной схеме. В зависимости от типа модули поставляются в 2-, 4-, и 8-миканальном исполнении, содержат входной шумоподавляющий фильтр и работать с сигналами как положительной, так и отрицательной логики. К модулям данного типа принято также относить и частотные модули (одноканальные), которые обеспечивают подсчет событий или измерение частоты сигналов, формируемых датчиками, хотя, с точки зрения программиста (а также всех стандартных программ конфигурации), он больше похож на модуль аналогового ввода, так как возвращает не один бит данных, а целое слово;

- модули вывода дискретных сигналов: маркируются красным цветом. Обеспечивают подключение исполнительных механизмов с рабочим напряжением 24 или 220 В. Выходные модули ШИМ (двухканальные), формирующие широтно-импульсный сигнал для пропорционального управления исполнительными механизмами, также относятся к данной подгруппе, хотя программно конфигурируются так же, как модули ЦАП;

- модули ввода аналоговых сигналов: маркируются зеленым цветом. Обеспечивают прием сигналов с аналоговых датчиков, имеющих стандартные уровни выходных сигналов: 0…20 мА, 4…20 мА, 0…10 В, ±10 В. Модули поставляются в 2-х и 4-хканальном исполнении;

- модули вывода аналоговых сигналов: маркируются синим цветом. Обеспечивают пропорциональное управление исполнительными механизмами и формируют сигналы 0…20 мА, 4…20 мА, 0…10 В, 0…24 В, ±10 В. Модули поставляются только в 2-х и 4-хканальном исполнении.

- оконечный терминальный модуль: замыкает линию адреса внутренней шины. Данный модуль должен быть обязательно установлен в собранный узел WAGO I/O с противоположной стороны от базового контроллера узла сети;

- модули подключения линий питания: обеспечивают подачу необходимых напряжений питания на логические и периферийные части модулей ввода/вывода. Содержат в себе цепи фильтрации, предохранители и светодиодные индикаторы состояния, а также встроенные источники питания.

Данные модули позволяют создавать большие распределенные системы сбора данных и управления на базе контроллеров WAGO I/O.

Выбранный ПЛК WAGO I/O System представлен на рис. 5.2.

Рис. 5.2 - ПЛК WAGO I/O System

Заключение

Разрабатываемая система автоматического управления приточно-вытяжной вентиляционной установкой подобна уже разработанным устройствам, основное отличие в том, что система была разработана на новом свободно программируемом контроллере пятого поколения WAGO I/O System 750.

Можно отметить основные принципиальные отличия разрабатываемой системы от традиционно используемых на большинстве российских предприятий:

- применение свободно программируемого контролера позволяет осуществить управление вентиляционной установкой в автоматическом режиме, отсюда следует, что заданные параметры, например поддержание установленной температуры в производственных помещениях, будут поддерживаться значительно точнее, чем при ручном управлении;

- применение свободно программируемого контролера позволяет в любой момент подключить новые системы, добавив, модули расширения или изменить работу системы по требованию заказчика;

- использование в системе контроллера WAGO I/O позволяет вводить аналогичные системы, объединение их в единую систему и ввести диспетчеризацию по шине FieldBus (направление совершенствования проекта);

- применение автоматического управления позволяет не держать в штате предприятия лиц ответственных за поддержание комфортных условий для работников. Следовательно, уменьшаются эксплуатационные расходы и производственный риск, связанный с человеческим фактором;

- на комплектующие изделия вновь создаваемого устройства предприятие изготовитель даёт значительно больший гарантийный срок.

Система обеспечивает защиту технического персонала от поражения электрическим током (защитное зануление, реле отключения, изоляция проводки), а также является устойчивой к агрессивной среде производственных цехов.

В ходе выполнения проекта были разработаны:

- принципиальная функциональная схема автоматизации со спецификацией;

- коммутационная программа контроллера;

- таблица внешних соединений;

- блок-алгоритмы функционирования системы (в т.ч. и в аварийных режимах);

- тактовая циклограмма работы САУ ПВВ;

- алгоритмы реагирования системы на сигнал от ППС, в т.ч. разработка защиты системы вытяжной вентиляции от возгораний.

Выбраны датчики, исполнительные механизмы, регулирующий клапан и устройства защиты.

Список использованных источников

1. ГОСТ Р 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. - Введ. 10.09.98. - М.: Госстандарт России, 2001. - 50 с.

2. Строительные нормы и правила : СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование. - Введ. 04.08.91. - М.: Стройиздат, 2008. - 72 с.

3. Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха // Е.С. Бондарь, Б.К. Пажин, С.В. Троегубов и др.; под ред. Е.С. Бондаря. - К.: «Аванпост-Прим», 2005. - 816 с.

4. Востриков, А.С. Теория автоматического регулирования: учебник для вузов / А.С. Востриков, Г.А. Французова.: под общ. ред. А.С. Вострикова. - М.: Высшая школа, 2004.- 365 с.:ил.

5. Олссон, Г., Цифровые системы автоматизации и управления: издание третье, переработанное и дополненное / Г. Олссон, Дж. Пиани.: СПб.: Невский диалект, 2001. - 520 с.: ил.

6. Зедгенизов, Д.В. Формирование алгоритмов управления воздухораспределением в вентиляционных сетях / Д.В. Зедгенизов// ИГД СО РАН. Изв. вузов. - Автоматизация. - 2010.- №7 - С.55-62

7. Лугин, И.В. Разработка режимов работы вентиляции для повышения температуры воздуха в зимний период на тупиковой станции метрополитена мелкого заложения / И.В. Лугин, А.М. Красюк // Изв. вузов. Строительство. Новосибирск. -2004. - №10. - С.53 - 60.

8. Никитин, В.Н., Энциклопедия безопасности [электронный ресурс]: 2002. - Режим доступа: http://www.opasno.net/st290.html

9. Петров, Н.Н. Исследование на АЦВК и в натурных условиях переходных процессов и частотных свойств вентиляционных систем перегонов, получение математического описания: учеб. пособие/ Н.Н. Петров, С.В. Севостьянов: под общ. ред. С.В. Севостьянова. - М.: Ренессанс. - 2007. - 115 с.: ил.

10. Седельников, Ф. И. Безопасность жизнедеятельности (охрана труда): учеб. пособие (электронная версия) - Вологда, 2001.

11. Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов / А. Б. Сергиенко - СПб.: Питер, 2003. - 604с.: ил.

12. Тюкин, В.Н. Теория управления: Конспект лекций. Часть 1. Обыкновенные линейные системы управления / В.Н. Тюкин. - Вологда: ВоГТУ, 2000. - 200 с.: ил.

13. Ушаков, А.Л. Вентиляция и кондиционирования производственных помещений: учеб. пособие / А.Л. Ушаков, П.В. Чащин. - М.: АСТ-ПРЕСС, 2011. - 300 с.:ил.

14. Чарушев, А.В. Автоматизация процессов жизнеобеспечения производства / А.В. Чарушев, Ю.Л. Мартынов - СПб.: Питер, 2010. - 320 с.: ил.

15. Юрлов, С.П. Нестандартные подходы к реализации процессов управления вентиляционными установками: учебник для вузов / С.П. Юрлов. - СПб.: Питер, 2011. - 150 с.: ил.

Приложение

Постановка задач курсового проектирования: техническое предложение

Тактовая циклограмма работы САУ ПВВ

Рис. Б.1

Математическая модель САР температуры воздуха калорифера по обслуживаемому помещению в среде VisSim v6.0

Рис. В.1

Принципиальная функциональная схема автоматизации ПВВ

Пояснительная таблица к принципиальной функциональной схеме автоматизации

Таблица Используемые датчики и исполнительные механизмы схемы автоматизации ПВВ

Поз.	Поз. обозн.	Наименование	Кол.	Примечание
1	Te	Датчик наружной температуры Siemens QAC2010	1
2а,3а	КП, КВ	Электропривод шибера приточной/вытяжной секции	4	по кол-ву вент. каналов
2б,3б	Ge	Датчик положения DM9NVL шибера приточной/вытяжной секций	4	по кол-ву вент. каналов
4,9	PDS	Датчик перепада давлений воздуха Siemens QBM81.5 фильтров	4
5а		Электропривод управления запорно-регулирующим клапаном (ЗРК) Regin S24 калорифера	1
5б		Пускатель электропривода ЗРК Regin S24	1
6	TS	Датчик температуры термостата защиты от замерзания Siemens QAF81.3	1
7а	В	Электропривод вытяжного вентилятора	3	ВЦ-4-76-12 (1 шт.), ВЦ-4-76-10 (2 шт.).
8а	П	Электропривод приточного вентилятора ВЦ-4-76-16	1	модель ВЦ-4-76-16
7б,8б	PDS	Датчики перепада давлений воздуха Siemens QBM81.5 вентиляторов	4	по кол-ву вентиляторов
10,12	TE	Канальный датчик температуры Siemens QAM2110.040	8	1 датчик - монтаж в приточный канал, 7 датчиков - монтаж в вытяжные зонты
11	ППС	Щит противопожарной сигнализации Сокол ПС 2.41-5	1
13	АА	Датчики-газоанализаторы и датчики пыли	11	газоанализаторы TGS2445 - 7 шт., датчики пыли Sharp GP2Y - 4 шт.
	ЗРК	Запорно-регулирующий (трехходовой) клапан VXP45.20-4 калорифера	1

Размещено на Allbest.ru

...