Основные свойства объектов регулирования.

Водоснабжение. В системах водоснабжения основным возмущающим фактором является водопотребление. Отбор воды из системы в каждый отдельный момент времени представляет собой сумму запросов потребителей. Никакое волевое регулирование этих отборов практически не осуществимо. Суммарные отборы воды жителями из сети водопровода представляют собой случайные величины, обусловленные сочетанием самых различных случайных событий. При этом суммарный объем водопотребления города претерпевает следующие изменения во времени:

- ежегодное увеличение расхода воды в процессе эксплуатации обусловливаемое как постепенным ростом числа жителей, так и улучшением санитарно-технического оборудования жилищ и городского благоустройства;

- циклические (периодические) изменения суточных расходов, связанные с сезонами года, температурой, погодой, сезонной миграцией населения и обусловленное ростом как удельного водопотребления, так и числа потребителей. Суточный объем водопотребления меняется также в отдельные характерные дни недели (праздничные и предпраздничные дни);

- колебания часовых расходов воды в течение отдельных суток. Эти колебания обусловливаются режимом жизни населения, режимом работы промышленности, степенью индустриализации города, режимом работы всех видов транспорта и случайными сочетаниями ряда таких событий, как изменение погоды, программы радио- и телевизионных передач и т.п..

Очевидно, система водоснабжения должна быть способна удовлетворять потребителей водой всегда, включая и отбор воды в пиковые часы суток наибольшего водопотребления последнего года эксплуатации городского водопровода (до его расширения).

Функцией системы водоснабжения является обеспечение потребителей водой в заданных (требуемых) количествах, заданного качества, что реализуется через создание в сети требуемых напоров. Напоры в сети и у потребителя выступают как регулируемые параметры, с изменением которых меняются условия и объемы водопотребления.

В процессе эксплуатации могут возникнуть различные нарушения нормальной работы отдельных сооружений и элементов сети (внутренние возмущения), что может привести к снижению нормального уровня водообеспечения. Системы подачи воды благодаря широкому использованию принципов резервирования устроены так, что отказ отдельных элементов или блоков сооружения, иногда и отдельных сооружений, не влечет за собой полного отказа систем, а вызывает лишь временное допустимое снижение уровня ее работоспособности. Даже при отказе одного из источников, как правило, предусматривается возможность водоподачи от других резервных или работающих водозаборных сооружений. Однако, при этом возникает задача перераспределения потоков в сети, т.е. изменение потокораспределения, которое в данном случае выступает как управляемый параметр. Изменение потокораспределения происходит и при отключении любого участка сети, выхода из строя насосного агрегата и т.д. Во всех случаях требуется изменить потокораспределение таким образом, чтобы обеспечить требуемые давления у потребителей. Причем эти изменения необходимо осуществлять так, чтобы потери в энергетическом, стоимостном или надежностном выражении были бы минимальны (оптимальное управление).

В качестве органов управления или регулирования в системах водоснабжения могут быть насосы, задвижки, участки сетей, резервуары. Управление осуществляется за счет изменения напора и производительности насосных агрегатов, закрытия или перекрытия задвижек, включения или отключения резервных магистралей, подключения регулирующих емкостей и т.д.

Практика показала, что значительный процент непроизводительных расходов воды на водопроводах составляют утечки из смывных бачков в домах, происходящие не только из-за неисправности бачков, но и в значительной степени вследствие повышенных напоров в сети. При повышении давления более чем 0.15 – 0.2 МПа (сверх того, на которое отрегулирован бачок), у большинства установленных бачков поплавковые клапаны не обеспечивают перекрытия, и поступающая вода вытекает через переливную трубу в канализацию. Чаще всего это происходит в ночное время. Установлено, что за ночь потери воды из бачков могут достигать 35 – 40% суточного расхода воды в доме. Повышение давления также влечет увеличение расхода воды «на поток» в раковинах, мойках, смесителях. Конструкция перечисленной арматуры рассчитана на получение нормальных расходов воды при напоре 0.02 – 0.0.3мПа. 0.1 ¸ 0.3 л/с. При увеличении давления до 0.3 мПа количество вытекаемой жидкости из крана увеличивается в 4 раза, что визуально мало заметно. Поэтому автоматизированные системы управления технологическим процессом должны быть направлены не только на минимизацию напоров у каждого потребителя но и на решение водосберегающих вопросов и инженерно-технических мероприятий по уменьшению водопотребления.

Если обратиться к зарубежному опыту, то эти вопросы рассматриваются и решаются комплексно. Например, в Токио применяются усовершенствованные краны, значительно обеспечивающие экономию воды. Во всех крупных зданиях установлены системы повторного использования воды от умывальников, ванн и душей. При этом сточная воды проходит необходимую физико-техническую очистку.

Общепризнанно, что учет воды, подаваемой потребителям, является наиболее эффективным средством борьбы с потерями воды. Многочисленные данные подтверждают снижение размера водопотребления при установке водосчетчиков. Всемирная организация здравоохранения считает, что в этом случае экономия воды может составить 33%. В Нидерландах эта цифра составляет 40%, в Болгарии 30%.

В большинстве стран пока еще нет законодательных постановлений относительно обязанности производить замеры всей подаваемой воды. Однако повсеместно признано необходимым измерять, по возможности, все количество используемой воды. Поэтому доля замеряемой воды в различных странах непрерывно растет. Например, в Швеции эта доля превысила 80% всей подачи. Здесь свыше 90% жилых домов имеют индивидуальные водосчетчики. В ФРГ на 1000 отводов установлено примерно 960 водомеров. Такое положение характерно для многих зарубежных стран. Причем широкое распределение получила автоматическая передача показаний счетчиков, которая осуществляется по существующим телефонным линиям, кабельным телевизионным системам или проводам электроснабжения. Во многих крупных городах уже функционируют автоматизированные подсистемы по продаже воды, входящие в АСУТП водопроводного хозяйства.

В зарубежных странах в АСУТП водоснабжения широкое распространение получили графические дисплеи, системы микрофильтрования для графического изображения информации. Находят применение пульты управления, логические элементы операционного контроля промышленного телевидения. При этом с помощью ЭВМ выполняются следующие операции:

- запись данных, сбор и анализ данных, характеризующих технологический процесс;

- решение задач по оптимизации режимов работы системы водоснабжения;

- контроль режимов работы и управления сетью.

В АСУТП водоснабжения городов нашей страны основной упор сделан на управление системой через контроль давления в диктующих точках. Однако, как показывает зарубежный опыт, этого недостаточно для решения вопросов рационального водоиспользования и управления потокораспределением в сети. Поэтому в зарубежных системах водоснабжения уделяется большое внимание контролю подаваемой и потребляемой воды. Почти 100% оснащенность потребителей автоматическими и дистанционными водосчетчиками позволяет не только эффективно управлять системой водоснабжения, но и конструировать ее так, чтобы система действительно была управляемая, надежная и удобная в эксплуатации. Например, Токийский водопровод насчитывает 102 насосных станции подкачки с запасно-регулирующими резервуарами общей вместимостью 735 тыс. м³ (при общем водопотреблении 6 млн. м³ / сут). При этом резерв по пропускной способности сетей составляет 2.1, а среднее давление в магистральных водопроводных линиях 0.15МПа.

Вместе с тем, как у нас, так и за рубежом еще недостаточно используются математические модели и методы для решения задач оптимального управления, выработке советов диспетчеру, прогнозирования нагрузок и режимов, работы тренажеров и т.д. Несомненно, эти вопросы актуальны и требуют проведения дополнительных исследований.

Наличие в процессах потребления воды трех основных компонентов (полиноминального тренда, полигармонических компонент и случайного шума) приводит к необходимости построения трехуровневой системы управления потокораспределением в сети.

Управление развитием заключается в целенонаправленном изменении структуры и параметров сети, обеспечивающем отслеживание номинального тренда и сводится к решению задач реконструкции и развития сетей и сооружений системы водоснабжения.

Планирование режимов обеспечивает отслеживание полигармонических трендов за счет изменения структуры и параметров существующих сооружений и элементов сети.

Оперативное управление обеспечивает компенсацию влияния шумовой составляющей в процессе потребления воды (задача стабилизации режимов). Задача оперативного управления – обеспечить потребителей водой в нужном количестве и нужного качества при всей совокупности возмущающих факторов, технологических ограничений и отказов, вызываемых аварийными ситуациями или профилактическими мероприятиями.

Перечисленные этапы управления неразрывно связаны между собой и проявляются лишь во временном отношении. Однако при построении АСУТП водоснабжения в большей степени рассматриваются вопросы планирования режимов и оперативное управление потокораспределением в сети. Действительно, в АСУТП водоснабжения должны осуществляться функции: получения информации от установленных на водопроводных сооружениях датчиков (расхода, давления, уровня и др.); передача информации с использованием аппаратуры телемеханики и связи в центр управления (диспетчерский пульт); обработки информации с помощью средств вычислительной техники в целях расчета оптимальных режимов работы технологического оборудования, а также выдача результатов расчетов для оператора (диспетчера) или непосредственно исполнительным механизмам, управляющим работой насосов, задвижек, дозаторов и т.д. Важная роль в АСУТП принадлежит человеку (диспетчеру), который воспринимает результаты обработки информации в ЭВМ, участвует в выработке оптимальный режимов, принимает окончательное решение по выбору управляющих воздействий и реализует их путем посылки команд на исполнительный механизм.

Системы теплоснабжения состоят из большого числа взаимосвязанных последовательно и параллельно включенных элементов, обладающих различными теплогидравлическими свойствами: участки трубопроводов тепловой сети и систем отопления; теплоемкие и нетеплоемкие наружные ограждения зданий; теплообменные аппараты в тепловых пунктах; нагревательные приборы в отапливаемых помещениях и др. Инерционные свойства перечисленных элементов существенно разные. Так, при прохождении температурной волны через теплоемкие ограждения (стены) наблюдается ее значительное затухание и сдвиг фазы. Оконные эе ограждения являются практически безинерционными и тепловые потери через них меняются синхронно с изменением внешних воздействий. С другой стороны, изменение давления (расхода) теплоносителя в системе происходит мгновенно (со скоростью звука), а процесс передачи температурного потенциала осуществляется со скоростью течения теплоносителя и зависит от дальности транспорта. В связи с этим при управлении системой теплоснабжения приходится учитывать не только состояние внешней среды в данный момент времени, но и метеорологические условия за предыдущий период, а также их возможные изменения в будущем (прогноз теплопотребления).

Существенные сложности в процессе управления систем теплоснабжения возникают еще из-за разнородной структуры тепловых нагрузок (отопление, вентиляция, кондиционирование, горячее водоснабжение), обусловленной различными технологическими процессами теплоиспользующих установок. Все эти факторы приводя к необходимости организации многоуровневой системы управления тепловых сетей. Предлагается шесть таких уровней управления:

- центральное       – на источниках теплоты;

- районное          – на контрольно-распределительных пунктах (КРП);

- групповое        – на центральных тепловых пунктах (ЦТП);

- местное           – на индивидуальных тепловых пунктах;

- пофасадное        – на индивидуальных тепловых пунктах;

- индивидуальное   – на отопительных приборах.

Каждой ступени управления соответствует свой объект управления, в качестве которого может быть: источник теплоты, тепловая сеть, абонентский ввод, отопительный прибор. Следует отметить, что три последних ступени управления относятся к автоматическому регулированию и обеспечиваются регуляторами автоматического действия, которые изменяют расход теплоносителя и его температуру в зависимости от изменения температуры наружного воздуха и микроклимата в помещениях. Первые три ступени управления обеспечивают поддержание требуемых напоров расходов воды и температуры теплоносителя в источниках (ТЭЦ, котельных), в КРП и ЦТП при различных аварийных ситуациях, отключениях и переключениях участков сети и агрегатов насосных повысительных станций. Это наиболее сложные этапы управления, которые требуют моделирования различных режимов функционирования систем теплоснабжения, выработки мероприятий по оптимальному управлению, анализу принимаемых решений и т.д. Очевидно, эти ступени управления невозможны без активного участия человека как при выработке тех или иных управляющих воздействий, так и в реализации их. Поэтому эти ступени относятся к автоматизированному управлению и составляют предмет диспетчерского управления.

Вентиляция    служит для создания благоприятных гигиенических условий пребывания человека в помещениях. Подавая свежий наружный обработанный воздух и извлекая загрязненный, помещения очищают от выделяющихся вредностей. К числу выделяющихся вредностей относят и «избыточное» тепло, так как нормальные санитарные условия могут быть соблюдены только при определенных комнатных температурах. Поэтому задача вентиляции сводится к тому, чтобы наряду с борьбой с загрязнениями воздуха поддерживать в помещениях определенные температурные условия. Если поставленная задача усложняется и требуется, например, поддержание заданной влажности внутреннего воздуха наряду с температурой, то система вентиляции становится более сложной и называется уже системой кондиционирования воздуха.

Система механической вентиляции помещений делится на приточную и вытяжную, работающую всегда совместно. Приточные вентиляционные установки служат для забора наружного воздуха, его обработки и подачи в помещение. Вытяжные установки предназначены для улавливания выделяющихся вредностей, перемещения их вместе с загрязненным воздухом до мест очистки и выброса в атмосферу.

Перед системой вентиляции возникает еще одна немаловажная задача поддержания положительного воздушного баланса внутри здания в целом, с тем чтобы не было проникновения наружного необработанного воздуха через неплотности. Поступление наружного неподготовленного воздуха может привести к неприятным сквознякам. В то же время система вентиляции должна поддерживать в отдельных помещениях, главным образом в тех, где выделяются токсические вредности, некоторое разряжение, с тем, чтобы вредности не распространялись в соседние помещения. Понятно, что такие требования могут быть выполнены только совместной работой приточных и вытяжных установок, что и следует учитывать при автоматизации вентиляционных устройств.

В приточных вентиляционных установках обычно принято качественное регулирование параметров внутреннего воздуха. При таком регулировании количество подаваемого воздуха остается постоянным. Поддержание внутренней температуры достигается только качественным изменением параметров приточного воздуха, т.е. большим или меньшим подогревом наружного воздуха в калориферах. Применение качественного регулирования вызвано необходимостью поддержания положительного воздушного баланса в здании и нужного разряжения в отдельных помещениях, а также наличием токсических вредностей, выделяющихся обычно стабильно по времени.

Следует иметь в виду, что управление и регулирование приточными установками ведется в зависимости от температурных условий, а не от количества выделяющихся токсических вредностей.

Регулирование теплоотдачи калорифера не может быть осуществлено централизовано путем изменения температуры подаваемой горячей воды от ТЭЦ по нескольким причинам. Прежде всего, из-за того, что регулирование отпуска тепла от ТЭЦ производится путем изменения температуры подаваемой воды по так называемому отопительному графику, которым предусматривается весьма высокая тепловая инерция зданий и самих тепловых сетей. Вторая причина заключается в том, что тепловыделения в помещениях определяются ходом технологического процесса, изменения которого различны для разных помещений. Следующая причина может заключаться в существенном влиянии на гидравлический и тепловой режим внутренних сетей горячего водоснабжения, характеризуемого быстрыми и частыми максимальными колебаниями. 

Существующими нормативными материалами предусматривается обязательная автоматизация работы каждой приточной камеры, вновь монтируемой в любом здании. Необходимость такого мероприятия доказана практикой и объясняется тем, что при ручном регулировании нельзя создать сколько-нибудь благоприятные и рационально расходовать тепло.

При низких наружных температурах в зимнее время появляется опасность замерзания воды или конденсата в калориферах и вследствие этого возможность замораживания их до появления течи при последующем включении. Причинами этого может послужить очень большое число факторов, влияющих на процессы теплоотдачи калорифера: конструктивные недостатки, малая скорость движения воды по трубкам калорифера, попадание воздуха в трубопроводы, нарушения гидравлического режима в тепловых сетях, приводящие к неравномерному перераспределению поступления воды в отдельные калориферы тех многочисленных приточных камер, которые обычно имеют производственные и общественные здания. При этом нужно иметь в виду, что для замерзания воды в трубках калорифера требуется слишком мало времени, очевидно, в среднем не более 1 – 3 мин, так как холодный наружный воздух движется с большой скоростью 8 – 10 м/с, а масса воды и калорифера недостаточна по сравнению с проходящей массой воздуха. Поэтому даже непродолжительное отключение подачи теплоносителя может привести к замораживанию калориферов. Учитывая то большое число факторов, которые могут вызвать аварию в теплоснабжении, лучше всего перейти на автоматическую защиту калориферов от замораживания. Ручное управление защитой не может быть эффективным. 

Автоматизация вытяжных установок в основном заключается в автоматическом пуске и остановке которые блокируются с технологическим оборудованием или приточной системой. При блокировке вытяжных систем с технологическим оборудованием возможны три варианта автоматизации:

1) вытяжные системы пускаются одновременно с пуском технологического оборудования или же вначале пускается вытяжная установка, а затем по сигналу реле потока воздуха;

2) вначале включается вытяжная установка, а через определенный период времени – обслуживаемое технологическое оборудование;

3) после выключения технологического оборудования вытяжная система продолжает работать еще некоторое время.

Во втором и третьем вариантах интервалы между пуском оборудования и вытяжной системой выдерживаются иногда с помощью реле времени.

Сохранение воздушного баланса в помещениях и здании требует, как правило, одновременного включения приточной и вытяжной установок, т.е. от одного магнитного пускателя. Однако для выполнения пусконаладочных, ремонтных и других работ помимо сблокированного или дистанционного управления должно предусматриваться местное управление.

Кондиционирование воздуха рассматривается как система вентиляции с более высокими требованиями к точности поддержания заданных параметров по температуре, относительной влажности, чистоте и скорости движения воздуха в пределах рабочей зоны. Могут возникнуть и другие требования к созданию атмосферных условий в помещениях различного назначения, однако все принципиальные положения, относящиеся к вентиляции, остаются без изменения. Поэтому и при рассмотрении вопросов автоматического регулирования систем кондиционирования воздуха (СКВ) основополагающие моменты, известные из автоматизации систем вентиляции, нужно иметь в виду, приняв их за начальный этап изучения. Вместе с тем возникает целый ряд особенностей регулирования СКВ, на которые следует обратить внимание.

Наиболее важной особенностью разработки схем автоматического регулирования установками кондиционирования воздуха является то, что, уже составляя схему процессов обработки воздуха, нужно иметь четкие представления о ходе управления аппаратами, осуществляющими эти процессы. В конечном итоге выбор схемы обработки воздуха в кондиционере нередко определяется возможностью автоматизации работы всей установки кондиционирования с достаточно высокой степенью надежности.

Классификация САР кондиционеров по степени точности поддержания заданных параметров представляется весьма необходимой. Различают СКВ, которые не требуют высокоточного поддержания внутренних параметров, и СКВ, в которых подобные требования необходимо соблюдать с большой точностью. Первые – это СКВ, предназначенные для обеспечения комфортных условий в общественных зданиях, а вторые – СКВ, создающие внутренние метеорологические условия, исходя из технологических процессов, происходящих в помещениях. В последних системах необходимо строго регулировать только один из параметров внутреннего воздуха (температуру или относительную влажность), допуская колебания другого в довольно широких пределах.

Систему кондиционирования воздуха можно представить, последовательным включением отдельных звеньев, выполняющих в конечном итоге одну цель – сохранение в помещении температуры или относительной влажности, или температуры и относительной влажности одновременно. Каждое звено есть отдельный аппарат для обработки воздуха, включаемый последовательно по мере прохождения воздуха через установку кондиционирования. При таком представлении наглядно видно и взаимное влияние каждого аппарата друг на друга. Если, например, перед форсуночной камерой ставятся аппараты первого подогрева наружного воздуха, то неравномерность поля температур по выходе из калориферов сказывается на эффективности увлажнения воздуха.