I. Принципы автоматизированного управления объектами городского хозяйства.

Введение

I Принципы автоматизированного управления объектами городского хозяйства.

1.1 Основная цель автоматизации объектов ГХ.

1.2 Системы автоматического регулирования по отклонению.

1.3 Системы автоматического регулирования по возмущению.

1.4 Комбинированные системы автоматического регулирования.

II Основные задачи АСУТП

2.1 Функции системы автоматического управления.

2.2 Функции контроля.

2.3 Функции измерения.

 2.4 Функции управления.

III Регулируемые параметры в жилищно-коммунальных системах

3.1 Микроклимат в зданиях

3.2 Водопотребление и водоотведение

3.3 Потребление тепловой энергии

IV Возмущающие факторы

4.1 Сигналы. Их виды.

4.2 Ступени автоматизации.

V Приборы для измерения расхода, давления, температуры, влажности, скорости ветра, химического состава воды и воздуха

5.1 Измерение температуры.

5.2 Измерение расхода воды и тепла.

5.3 Измерение давления, уровня.

5.4 Измерение физико-химического состава воды и воздуха

VI Регуляторы давления, расхода, температуры, дозаторы.

6.1 Регуляторы давления, расхода, температуры, дозаторы.

VII Применение математических методов в задачах АСУТП

7.1 Основные способы математического описания.

7.2 Определение линейной стационарной системы.

7.3 Динамические процессы в системах

VIII Основные подходы к проектированию сложных технических систем.

8.1 Структурные схемы сложных технических систем.

8.2 Типовые законы регулирования.

8.3 Методы построения сложных технических систем.

IХ Проектирование систем автоматизации систем ГХ.

9.1 Проектирование систем вентиляции

9.2 Проектирование систем теплоснабжения и водоснабжения

9.3 Проектирование технологических процессов.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Современный город и городское хозяйство трудно представить без развитых трубопроводных систем коммунального хозяйства (ТСКХ), через которые осуществляется подача воды, тепла, газа в жилые и общественные здания, производится отвод сточных, дождевых и других вод от зданий и с территории города.

Системы водоснабжения и водоотведения, тепло- и газоснабжения в настоящее время достигли наивысшей степени централизации и представляют единые сложные инженерные сооружения по забору воды, выработке тепла, газа, транспортировки их к потребителям и т.д.

Укрупнение источников теплоснабжения значительно снизило их стоимость, повысило тепловую экономичность, сократило количество обслуживающего персонала, уменьшило загрязнение городов и их воздушных бассейнов золой и дымовыми газами.  

Создание единых систем сбора, отвода и очистки сточных вод позволило существенно улучшить экологическую и санитарно-гигиеническую обстановку в городе и прилегающих водоемов.

Организация централизованных систем водоснабжения города и городских агломераций обеспечила возможность контролировать качество забираемой из открытых водоемов воды, доводить ее показатели на очистных сооружениях до требуемых значений и подавать воду потребителям в необходимом количестве и качестве.

Вместе с тем, централизация ТСКХ внесла и ряд трудностей и сложностей в их эксплуатацию, развитие и реконструкцию. Эти трудности в основном связаны с организацией режимов функционирования насосных станций и других сооружений, с локализацией и ликвидацией аварийных ситуаций, с заменой труб в черте города.

  Управление, автоматизация и диспетчеризация централизованных инженерных систем имеют свою специфическую особенность, обусловленную необходимостью построения многоуровневой и рассредоточенной системы взаимодействия, выработки, принятия и реализации того или иного режима эксплуатации. Такие системы автоматизации сложны как в реализации, так и в дальнейшей эксплуатации, поэтому на сегодняшний день в большинстве наших городов и населенных пунктов автоматизированные системы управления в полном объеме отсутствуют. В основном регулирование режимов функционирования системы осуществляется в источниках теплоты (количественное и качественное) и в головных насосных станциях систем водоснабжения. Поэтому не всегда достигаются оптимальные параметры микроклимата в помещениях, требуемые напоры у потребителей, а сама система большинство времени работает в неэкономичных режимах относительно потребления топлива, электроэнергии. Поэтому вопросы автоматизации и диспетчеризации городских инженерных систем являются актуальными.

   Под автоматизацией управления городских инженерных систем понимается совокупность технических средств, микропроцессорной вычислительной техники и промышленных роботов, математических методов и программ, освобождающих человека в определенной степени или полностью от непосредственного выполнения функций контроля и управления режимами функционирования.

   Вопросы построения автоматизированных систем управления, организации диспетчерской службы и являются предметом обсуждения в данном методическом пособии.   

 

 

 

I. Принципы автоматизированного управления объектами городского хозяйства.

1.1 Основная цель автоматизации объектов ГХ.

Основная цель автоматизации состоит в осуществлении автоматического управления различными техническими процессами на объектах ГХ.

Любой технологический процесс можно расчленить на ряд более простых неравнозначных составных, но связанных между собой процессов. В связи с этим говорят, что в технологическом процессе выделяют рабочие операции, т.е. действия, непосредственным результатом которых является требуемая обработка материала, энергии, информации, и операции управления, обеспечивающие придание в нужные моменты нужных режимов, направлений и т.п.

Рабочие операции сопряжены с затратами энергии, и, если они выполняются человеком, то на их выполнение затрачивается его физическая сила. На операции управления затрачивается интеллектуальный труд человека, и эти операции требуют определенной квалификации исполнителя.

Замена труда человека в рабочих операциях работой машин и механизмов называется механизацией.

Совокупность операций управления образует процесс управления. Таким образом, под управлением понимают такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенной цели.

Замена труда человека в операциях управления действиями технических управляющих устройств называется автоматизацией. Техническое устройство, выполняющее операции управления без непосредственного участия человека, называется автоматическим устройством.

Совокупность технических средств, выполняющих данный процесс, является объектом управления. Совокупность средств управления и объекта образует систему управления. Система, в которой все рабочие операции и операции управления выполняют автоматические устройства, называется автоматической. Система, в которой автоматизирована только часть операций, другая же их часть сохраняется за людьми, называется автоматизированной (частично автоматической).

Частным случаем управления является регулирование. При регулировании координаты процесса (давление, температура, расход, положение и пр.) поддерживаются на заданном значении с помощью специальных устройств – автоматических регуляторов. Совокупность регулируемого объекта и автоматического регулятора образует систему автоматического регулирования. Объекты регулирования и управления по своей физической природе весьма разнообразны, но принципы построения систем управления и методы их исследования одни и те же.

Для наглядного схематического изображения системы автоматического управления (регулирования) используют структурные схемы, в которых отдельные элементы системы изображаются в виде прямоугольников, а связи между элементами – линиями со стрелками, показывающими направление передачи сигнала (рис. 1.1).

 

 

Основными элементами системы автоматического регулирования являются объект и регулирующее устройство (регулятор).

 

 

Любой элемент системы характеризуется входной координатой (сигналом) x(t) и выходной координатой y(t), которая зависит от входного сигнала. В свою очередь входная координата может носить возмущающий и управляющий (регулирующий) характер. Возмущающее воздействие (возмущение) xв(t) вызывает отклонение управляемой (регулируемой) координаты от заданного значения. Управляющее u(t) (регулирующее xр(t)) воздействие служит для поддержания управляемой (регулируемой) координаты y(t) в соответствии с некоторым законом управления (поддержания регулируемой координаты на заданном уровне) (рис. 1.2).

Объектами управления являются в процессах ГХ – механизмы, машины и аппараты, в которых протекают технологические процессы (нагрев, перемешивание, увлажнение, фильтрация и др.);

1.2 Системы автоматического регулирования по отклонению.

Первый промышленный регулятор был изобретен в 1765 г. И. Ползуновым для созданной им паровой машины. Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 1.3.

Задачей регулирования является поддержание в паровом котле постоянного уровня. Регулятор представляет собой поплавок 1, связанный системой рычагов с регулирующей заслонкой 2. При увеличении уровня поплавок поднимается вверх, в результате чего заслонка опускается, перекрывая трубопровод и уменьшая подачу воды в котел. При уменьшении уровня поплавок опускается, что приводит к увеличению подачи воды и, следовательно, к повышению уровня.

 

Практически одновременно с И. Ползуновым в 1784 г. Джеймс Уатт сконструировал центробежный регулятор числа оборотов вала паровой машины (рис. 1.4.)

 

 

При изменении числа оборотов вала грузы 1 под действием центробежной силы изменяют свое положение, что приводит к перемещению регулирующего органа 2 и изменению подачи пара. Это в свою очередь вызывает изменение числа оборотов вала, но в направлении, противоположном исходному.

Сравнительный анализ рассмотренных регуляторов показывает, что оба они построены по единому принципу, который наглядно проявляется на структурной схеме, представленной на рис. 1.5

 

В рассматриваемых примерах основными элементами системы автоматического регулирования являются: объект – паровой котел и паровая машина; регулирующее устройство – поплавок и центробежная муфта с регулирующими заслонками, соответственно, в регуляторах Ползунова и Уатта.

Выходные координаты, они же и регулируемые переменные – уровень Н и число оборотов n; регулирующие переменные – подача воды в паровой котел – Gв и расход пара в паровую машину – Gп, возмущающие воздействия – давление пара в котле, расход топлива, его теплотворная способность в первом случае и во втором – нагрузка на валу паровой машины, давление пара в трубопроводе.

Принцип, по которому построены регуляторы Ползунова и Уатта, состоит в том, что регулятор изменяет регулирующее воздействие при отклонении регулируемой переменной от заданного значения независимо от причин, вызвавших это отклонение. Таким образом, в зависимости от значения выходного сигнала объекта регулятор изменяет его входной сигнал. Для реализации алгоритма регулирования в конструкцию системы вводится связь, получившая название обратной связи, потому что по ней происходит передача сигнала с выхода объекта на его вход по направлению, обратному направлению передачи основного воздействия на объект. Объект и регулятор образуют замкнутую систему, называемую автоматической системой регулирования (АСР). Если сигнал обратной связи складывается с основным сигналом, то связь называется положительной, если вычитается – отрицательной. В автоматических системах управления связь всегда отрицательна.

Схемы с обратной связью осуществляют управление по отклонению (рис. 1.6) показателя процесса – выходной координаты y(t) от заданного значения y_зад; Δ y = y(t) – y_зад – называется отклонением или ошибкой управления.

Рассмотренная система управления с обратной связью относится к классу систем автоматического регулирования по отклонению.

Таким образом, автоматической системой регулирования по отклонению называют систему, в которой измеряется отклонение регулируемой величины от заданного значения и в зависимости от измеренного отклонения подается такое воздействие на регулирующий орган, которое уменьшает величину отклонения так, что Δ y → 0 при t → ∞.

 

1.3 Системы автоматического регулирования по возмущению.

Кроме регулирования по отклонению возможен другой способ регулирования – это регулирование по возмущению или компенсация возмущений. В этом случае регулирующее воздействие вырабатывается регулятором в зависимости от величины возмущения. Системы регулирования по возмущению являются разомкнутыми системами, так как в них отсутствует обратная связь (рис. 1.7). Идея этого способа заключается в том, что, если мы сможем компенсировать все возмущения в системе, то регулируемая величина не будет отклоняться от заданного значения. Следует заметить, что компенсация достигается только по измеряемым возмущениям.

 

Рассматриваемый принцип регулирования впервые был предложен в 1830 г. французским инженером Ж. Понселе при разработке теории центробежных регуляторов хода машин по нагрузке на валу машины, являющейся одним из основных возмущений в объекте, но реализовать свое предложение на практике ему не удалось, так как динамические свойства машины не допускали непосредственного использования принципа компенсации.

В 1940 г. был предложен принцип инвариантности – достижение независимости управляемой координаты от возмущений, практическая реализация которого была получена только в 50-е годы.

Недостаток систем, построенных по принципу компенсации возмущений, очевиден. Компенсировать все возможные возмущения в объекте удается крайне редко, а наличие таких возмущений, как колебание состояния атмосферы, старение катализатора, отложение солей в аппарате, т.е. произвольное изменение свойств объекта, вообще не подлежит компенсации. Например, опасность использования принципа Понселе при регулировании уровня жидкости в емкости, когда приток жидкости соотносится с ее расходом, заключается в том, что вследствие изменения расходных характеристик вентилей на притоке и расходе, испарения жидкости, ее дренажа и т.п., емкость может переполниться, либо опустеть.

Регулирование по отклонению лишено этого недостатка, здесь компенсация отклонения регулируемой координаты от заданной происходит независимо от того, какими причинами вызвано это отклонение, но выполнить одновременно условия точности и быстродействия трудно. Часто повышение точности и быстродействия системы приводит к ее неработоспособности.

 

1.4 Комбинированные системы автоматического регулирования.

 

Наиболее эффективными системами регулирования являются комбинированные AСP, сочетающие оба рассматриваемых принципа.

В этих системах наиболее сильные возмущения компенсируются специальным регулятором, а контур регулирования по обратной связи устраняет отклонения регулируемой координаты, вызванные другими возмущениями.

Таким образом, в основе построения системы автоматического регулирования лежат общие фундаментальные принципы регулирования, определяющие, каким образом осуществляется поддержание регулируемой величины на заданном уровне в соответствии с причинами, вызывающими ее отклонение от этого уровня. В настоящее время известно и используют два фундаментальных принципа: принцип регулирования по отклонению и принцип регулирования по возмущению.

II Основные задачи АСУТП

2.1 Функции системы автоматического управления

Система автоматики выполняет следующие функции:

Ø защита;

Ø контроль;

Ø регулирование;

Ø измерение;

Ø управления.

Защитные функции

Защита двигателей.

Большинство двигателей, используемых в промышленности, включаются и работают автоматически. Но в случае аварии страдает не столько сам двигатель, сколько весь технологический процесс. Длительные простои дорогостоящих ТП, для нашего случая это остановка всей системы вентиляции и кондиционирования воздуха, влекут за собой потери намного большие, чем затраты на ремонт двигателя. Поэтому правильная защита двигателя – это задача не только чисто техническая, но и экономическая, заставляющая выбирать между затратами и конечной выгодой.

Электродвигатель – это электромеханический преобразователь энергии, который берет из сети электрическую и отдает на валу механическую энергию.

При этом неизбежно возникновение потерь, ведущих к перегреву двигателя (рисунок 2.1).

 

P1 – потребляемая мощность;

PD – мощность вращающего поля;

P2 – мощность на валу;

VСu1 – потери на статоре;

VCu2 – потери на роторе;

VFe – потери на железо;

VR – потери на трение.

Рисунок 2.1  – Структура охлаждения

Различают потери в меди на статоре и роторе, потери в железе на статоре и потери на трение. При этом, если потери в меди прямо пропорциональны квадрату нагрузки двигателя, то потери в железе и на трение не зависят от нагрузки.

Основная задача устройств защиты двигателя состоит в том, чтобы предотвратить перегрев, как статора, так и ротора. Чем больше двигатель и чем выше его число оборотов, тем выше начальный пусковой ток, и тем более уязвимым будет ротор двигателя.

После включения двигателя и затухания переходного процесса в двигателе устанавливается начальный пусковой ток. Величина начального пускового тока составляет от 4-х до 8-кратной величины тока, при номинальном режиме работы и не зависит от момента нагрузки; таким образом, работает ли двигатель на холостом ходу, или под нагрузкой – значения не имеет. В отличие от этого, время разгона находится в зависимости от характеристик рабочей машины.

Причины тепловой перегрузки:

Ø из-за повышенного крутящего момента при работе под нагрузкой в продолжительном режиме;

Ø из-за слишком большой частоты включений;

Ø из-за слишком продолжительного относительного включения при повторно-кратковременном режиме;

Ø из-за слишком продолжительных процессов разгона и торможения;

Ø из-за блокирования ротора при включении или в процессе работы;

Ø при работе от вентильных преобразователей тока.

Другими причинами тепловой перегрузки могут быть ошибочное подключение или коммутация, а также определенные качества сети, такие как:

· слишком большие отклонения частоты или напряжения в сети от номинальных значений;

· асимметрия сети и обрыв сетевого провода (выпадение фазы).

А также на двигатель негативно сказывается недостаточное охлаждение вследствие:

· высокой температуры охлаждающей среды;

· повышенного уровня места установки (разряженный воздух при установке на высоте более 1000 м над уровнем моря);

· нарушение потока охлаждения (засорение вентиляционной решетки).

Самой важной задачей устройства защиты двигателя является своевременное срабатывание, прежде чем температура двигателя достигнет критического значения. Однако, устройства защиты не должны срабатывать, если двигатель:

· работает в продолжительном режиме работы при номинальной мощности;

· в течение допустимого времени разгона и торможения по двигателю проходит начальный пусковой ток;

· перегружен в течение 2 минут в разогретом состоянии 1,5 – кратным номинальным током.

Устройства защиты двигателя могут работать по принципу зависимости от тока, либо от температуры.

Тепловые реле 3RU фирмы «Siemens» с токовой зависимостью и расцепитель перегрузки в силовых автоматах 3RV работают с биметаллическими пластинами и обмотками накала, которые нагреваются от тока двигателя.

В расцепителях перегрузки биметаллические пластины освобождают защелку механизма блокировки, а в реле перегрузки срабатывает вспомогательный контакт, который разрывает контур тока в катушке контактора двигателя. Происходит остановка двигателя и система сигнализирует об аварии двигателя.

При асимметрии сети, и особенно при отсутствии тока в одном из проводов, резко возрастает ток в двух других проводах, и потери в двигателе становятся в 1,5–2 раза выше, чем при номинальном режиме. Реле перегрузки, не имеющие чувствительных элементов к обрыву фазы, срабатывает при этом с запаздыванием. По нормам, предельный ток отключения может быть в этом случае на 10% выше, т.е. составляет максимально 1,32 – кратную величину тока уставки. Продолжительная работа в условиях такой нагрузки может привести к преждевременному выходу двигателя из строя.

Для того, чтобы в условиях асимметрии сети и однофазного режима работы обеспечить надежную защиту двигателя, реле перегрузки и расцепители дополнительно оснащают дифференциальной защитой и толкателем, который выполняет более раннее отключение.

Тепловые реле защиты с токовременной зависимостью и силовые автоматы обеспечивают высокую степень защиты при низкой стоимости. При их использовании возможна экономическая защита двигателя, особенно в нижнем диапазоне мощностей.

Так же в двигателях присутствует встроенная защита от перегрева (термостат). При возрастании температуры на двигателе релейный контакт термостат даст сигнал в щит управления об аварии двигателя.

Защита водяного калорифера

В зимний период работы системы вентиляции нагрев воздуха осуществляется водой в теплообменнике. Он изготовлен из металлических трубочек 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;

· установить защиту по температуре воздуха и обратной воды;

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

Для обеспечения скорости протекания жидкости устанавливаем циркуляционный насос.

Для защиты по воздуху устанавливает 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.

Для защиты по воде на выходе трубопровода с обратной водой устанавливается накладной термостат. Термостат срабатывает при температуре воды 20 °С, замыкая релейный контакт выдает сигнал в щит управления.

 

2.2  Функции контроля

Контроль засорения фильтра

Для очистки воздуха от мелких предметов и от пыли на входе воздуха в систему установлен фильтр. Со временем фильтр засоряется, что приводит к увеличении нагрузки на двигателе. Для контроля засорения фильтра устанавливают реле давления, которое измеряет перепад давления до и после фильтра. В случае срабатывания реле, его контакт передает сигнал в щит управления.

Контроль работы двигателя

Для контроля работы двигателя устанавливают реле давления, которое меряет наличие перепада давления до и после двигателя. Во время работы двигателя контакт датчика реле давления находится в замкнутом состоянии. В случае остановки двигателя (пропадания напряжения на двигателе и других возможных аварий) контакт датчика реле давления размыкается, и сигнал передается в щит управления.

Контроль температуры воды в обратном трубопроводе

В дежурном режиме воздушный клапан закрыт, вентилятор выключены. Регулирование осуществляется по температуре Тобр, которая поддерживается равной Тобр.зад. При превышении температуры Тобр над заданным значением контроллер переключается на ее регулирование с целью недопущения перегрева воды, возвращаемой в тепловую сеть. Контроль превышения Тобр активизируется с задержкой после включения вентилятора. При снижении температуры Тобр ниже значения Тзмр система переключается в режим прогрева с целью предотвращения замораживания калорифера.

Функции регулирования.

Во время работы системы температура приточного воздуха Tпр.в поддерживается равной заданной 22 °С. Сигнал с датчика температуры

приточного воздуха поступает на вход ПИ регулятора контроллера, который вырабатывает управляющий сигнал на открытие или закрытия клапана. В зимний период работы, подогревая воздух, а в летний охлаждая. Регулирование температуры осуществляется с помощью регулирующего клапана.

автоматизация вентиляция вытяжной регулирование

2.3 Функции измерения

 

Система автоматики обрабатывает сигналы, поступающие на вход (Тн.в., Тпр.в., Тобр) по заданной программе и формирует сигналы управления и регулирования, а также отображая значение температуры.

 

2.4 Функции управления

 

Управление системой осуществляется в ручном режиме с помощью кнопок и переключателей, расположенных на панели управления за дверцей щита и в автоматическом режиме. Управление запуском насосов и двигателей происходит с контроллера при благоприятных параметрах системы.

 

III регулируемые параметры

Микроклимат в зданиях.