2.1 Огляд і аналіз існуючих систем керування обєктом

Задачі автоматизації ІТП у загальному випадку полягають в наступному:

· регулювання відпуску теплоти на опалення будинку;

· регулювання температури води на гаряче водопостачання;

· регулювання тиску води.

Схеми керування теплових пунктів передбачають автоматичне керування температурою та тиском води.

Регулювання температури в системі опалення потрібно для того, щоб в залежності від пори року ми отримували оптимальну температуру.

Регулювання температури в системі ГВП потрібно для того, щоб споживачу надходила вода заданої температури.

Регулювання тиску води необхідно для забезпечення циркуляції води в системі опалення та ГВП та запобігання застоювання в трубопроводі.

Основними параметрами теплопункту, що регулюються, є температура зворотного теплоносія системи опалення, температура та тиск гарячої води системи ГВП.

Температура зворотного теплоносія системи опалення tзв.оп. регулюється витратою прямого теплоносія.

Температура гарячої води системи ГВП tГВП регулюється витратою гріючого теплоносія у теплообмінник.

Тиск прямого теплоносія системи опалення Pоп регулюється за допомогою насосної групи.

Перераховані величини, що регулюються, змінюються в результаті регулюючих впливів і під впливом зовнішніх та внутрішніх збурень, що носять закономірний або випадковий характер, таких як тиск та температура прямої мережевої води, температура навколишнього середовища, зміна витрати гарячої води споживачами і т. п.

Автоматична система регулювання призначена для підтримки температури зворотного теплоносія мережі опалення на заданому рівні. Для цього необхідно регулювати подачу прямого теплоносія, що подається до системи опалення.

Температура зворотного теплоносія опалювальної мережі є параметром, який представляє температуру в опалювальних приміщеннях. Температура прямого теплоносія є заданим параметром для системи автоматизації, що розглядається, так як залежить від постачальника теплової енергії - ТЕЦ або котельні. Таким чином, регулюючим параметром є витрата прямого теплоносія. Для збільшення температури зворотного теплоносія потрібно збільшити витрату прямого теплоносія, для зменшення температури - зменшити витрату. Зміна витрати відбувається за допомогою регулюючого органу (РО) на трубопроводі прямої мережевої води.

Похідним регульованим параметром у системах теплопостачання є витрата теплоти, обумовлена температурами й витратою теплоносія. Зміна параметрів теплоносія відповідно до фактичної теплової потреби абонентів підвищує якість теплопостачання, скорочує витрати теплової енергії й палива. Адекватне визначення потрібної і фактичної витрат теплоти сприяє можливостям максимальної економії палива й теплової енергії, досягненню високих економічних показників у теплопостачанні.

Регулювання відпуску теплоти може бути:

якісне - шляхом зміни температури теплоносія при постійній його витраті, що подається в регульовану установку;

кількісне - шляхом зміни витрати теплоносія при постійній температурі його на вході в регульовану установку;

якісно-кількісне - шляхом одночасної зміни температури й витрати теплоносія.

Вхідними параметрами є температура й витрата теплоносія, що надходить у нагрівальні прилади, потужність насосів, які забезпечують необхідний тиск у мережі будинку.

Основними вихідними параметрами теплопункту є температура зворотного теплоносія системи опалення, температура та тиск гарячої води системи ГВП. тепловий програмний автоматизація контролер

Вхідними параметрами є витрата прямого теплоносія на опалення Qпр. оп., витрата гріючого теплоносія у теплообмінник Qпр. т/о, потужність насосної групи системи опалення Nнас.

Збуреннями, що носять закономірний або випадковий характер, є такі величини як тиск та температура прямої мережевої води, температура навколишнього середовища, зміна витрати гарячої води споживачами і т. п.

Таким чином, індивідуальний теплопункт, що розглядається в якості обєкта регулювання, уявляє собою динамічну систему з декількома взаємозвязаними вхідними і вихідними величинами. Однак виражена направленість ділянок регулювання по основним каналам регулюючих впливів, таким як витрата прямого теплоносія - температура зворотного теплоносія, витрата гріючого теплоносія у теплообмінник - температура гарячої води ГВП, зміна продуктивності насосів - тиск у мережі опалення та іншим, дозволяє здійснювати стабілізацію регулюючих величин за допомогою незалежних систем, звязаних лише через обєкт регулювання. При цьому регулюючий вплив тієї чи іншої ділянки (суцільні лінії на рис. 2.1) слугує основним засобом стабілізації його величини, що регулюється, а інші впливи (пунктирні лінії) є до цієї ділянки внутрішніми або зовнішніми збуреннями.

Рис.2.1. Схема взаємозвязку між вхідними та вихідними величинами

де:Qпр. т/о - витрата гріючого теплоносія у теплообмінник;

Qпр.оп. - витрата прямого теплоносія у системі опалення;

Nнас - потужність насосів;

tгвп - температура гарячої води у системі ГВП;

tзв.оп. - температура зворотного теплоносія у системі опалення;

Pпр.оп. - тиск прямого теплоносія у системі опалення;

Автоматизація технологічних процесів у загальному випадку виконує наступні функції: регулювання параметрів, керування роботою устаткування й агрегатів , захист і блокування устаткування й агрегатів, облік витрати вироблених і споживаних ресурсів, телемеханізації контролю, виміру, керування.

Мета автоматизації систем теплопостачання складається в найбільш ефективному вирішенні задач окремими її ланками без безпосереднього втручання людини.

1. Регулювання температури теплоносія в зворотному трубопроводі.

Регулювання відпуску теплоти в системі теплопостачання, передбачає:

- центральне регулювання - на теплоджерелі (ТЕЦ, котельні);

- групове регулювання - у центральних теплових пунктах, вузлах розподілу;

- місцеве загальнобудинкове (на весь будинок) регулювання - в ІТП (МТП) або місцеве пофасадне (позонне) регулювання - в ІТП (МТП) при наявності пофасадного (позонного) поділу систем опалення будинку;

- індивідуальне регулювання - на нагрівальних приладах у приміщеннях будинку.

Для забезпечення стійкої й економічної роботи теплових мереж і теплоджерела при роботі комплексу засобів регулювання відпуску теплоти у відповідних точках мережі передбачаються ступені автоматичного регулювання гідравлічного режиму.

Автоматичне керування відпуском теплоти може провадитися по відхиленню регульованої величини, по збурюванню й шляхом комбінування цих методів. [1]

У першому випадку датчики, що заміряють температуру внутрішнього повітря, встановлюються в одному або декількох опалювальних приміщеннях і приводять в дію регулятор при відхиленні цієї температури від установленого значення.

При регулюванні по збурюванню датчики встановлюються ззовні будинку й заміряють значення метеорологічних параметрів.

На рис. 2.1. представлена схема компенсації збурювань у системі опалення.

Рис. 2.1. Схема компенсації збурювань у системі теплозабезпечення (опалювання)

Перевага автоматичного керування по відхиленню полягає в тому, що регулятор враховує всю сукупність факторів, що впливають на температурний режим опалювальних приміщень, і виконує своє завдання незалежно від причин, що викликали відхилення внутрішньої температури. Експлуатаційні зміни статичних і динамічних характеристик обєкта практично не позначаються на якості регулювання. Недоліки цього методу полягають у наступному.

У сучасних багатоповерхових будинках спостерігається значний градієнт температур повітря в опалювальних приміщеннях, набагато перевищуючий припустиму точність регулювання. У звязку із цим вибір представницьких приміщень повязаний з великими труднощами. Збільшення ж із цією метою загальної кількості датчиків - контрольних приміщень - приводить до подорожчання автоматики, ускладненню її обслуговування й зниженню надійності.

Система автоматичного керування по відхиленню внутрішньої температури має несприятливі динамічні характеристики, оскільки замкнутий контур регулювання містить у цьому випадку ланку з великою інерційністю - опалювальний будинок.

Перевага автоматичного керування по збурюванню полягає в тому, що воно виробляється по основних факторах, що визначають режим теплоспоживання будинків (температура зовнішнього повітря, швидкість вітру, сонячна радіація). Вплив локальних, випадкових факторів на температуру повітря в тому або іншому приміщенні на процес керування виключається.

При керуванні по збурюванню система має гарні динамічні властивості, тому що в контур регулювання не входить опалювальне приміщення. При цьому регулятор починає виконувати своє завдання ще до того, збурюючий вплив викликав в опалювальному приміщенні відхилення регульованої величини - температури повітря - від заданого значення.

Недолік цього методу полягає в тому, що регулятор реагує тільки на ті збурювання, які оцінюються відповідними датчиками й закладені в закон керування. З огляду на різноманіття збурювань, що діють у системі теплопостачання, і особливості цієї системи як обєкта керування, стають очевидними ті труднощі принципового характеру, які виникають при застосуванні розглянутого методу керування.

Необхідно відзначити, що автоматична розімкнута система керування по збурюванню в "чистому" виді не одержала застосування в практиці теплопостачання й опалення.

Найпоширеніша схема керування по збурюванню передбачає наявність зворотного звязку по параметру теплоносія в тепловому пункті. У звязку із цим система керування виявляється частково замкнутою (по регулюючому параметру) і в її контур включається джерело теплоти, теплові мережі, а при установці датчика температури на зворотному трубопроводі - система опалення. Таким чином, створюється принципова можливість виключити вплив випадкових відхилень режиму роботи теплової мережі на тепловий режим будинку.

Як зворотний звязок у різних схемах автоматизації систем теплопостачання й опалення використовуються температура води на вході в пункт керування, температура зворотної води, напівсуми температур прямої і зворотної води, витрата води, температура й витрата води.

У багатьох існуючих системах автоматизації для оцінки зовнішніх збурювань використовуються датчики температури зовнішнього повітря. Величина сигналу від цього датчика порівнюється з температурою теплоносія, що повинна дорівнювати температурі за графіком, закладеному в закон керування. Перевагою такої системи є простота схемної реалізації, а недоліком - відсутність обліку при керуванні за допомогою інших метеорологічних факторів (крім зовнішньої температури), а також динамічних властивостей обєкта. Цей метод має назву "погодне регулювання", його схема зображена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема погодного керування системою опалювання

Альтернатива погодному регулюванню [6]

Основним завданням контролерів, керуючих роботою систем опалення західного зразка, є реалізація погодного регулювання. Сутність погодного регулювання полягає в тому, щоб підтримувати температуру в подаючому (або зворотному) трубопроводі системи опалення на рівні, що відповідає поточній температурі зовнішнього повітря. Але є ряд факторів, які необхідно враховувати при застосуванні цього методу керування.

По-перше, погодне регулювання повинне забезпечуватися тепловими мережами, які зобовязані витримувати при якісному регулюванні свій температурний графік. Умовно кажучи, якісне регулювання - це і є регулювання погодне. Якби температурний графік тепловими мережами витримувався, не були б потреби встановлювати погодні регулятори в теплових пунктах.

По-друге, ніяке погодне регулювання на абонентських уведеннях не здатне забезпечити комфортний тепловий режим у будинках, якщо теплові мережі не в змозі по тих або інших причинах витримувати температурний графік, ними встановлений. Було б неправильно витрачати гроші на дорогу автоматику, змушуючи її виконувати нездійсненні завдання. В такому випадку вона просто не буде рентабельною.

Вихідною посилкою при розробці алгоритму регулювання теплового пункту будинку, приєднаного до системи централізованого теплопостачання, була підтримка температури води у зворотному трубопроводі системи опалення на рівні, що відповідає поточній температурі води в подаючому трубопроводі. Температура води, що вертається із системи опалення в теплову мережу - це простий і єдиний параметр, який реально відображає інформацію про споживчі якості працюючої системи опалення.

Якщо фактична температура зворотної води вище заданої величини, то це виразно свідчить про надлишкове опалення, і автоматика в цьому випадку зобовязана дати команду на зменшення витрати мережної води. Якщо задана величина фактично не досягнута, автоматика буде намагатися збільшити витрату, але лімітна шайба теплової мережі не допустить перевищення розрахункової витрати. Таким чином, у робочий час регулятор виконує просте завдання - підтримує, по можливості, температуру у зворотному трубопроводі на заданому значенні. Схема розглянутого методу регулювання зображена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема регулювання температури в зворотному трубопроводі системи опалення

2. Регулювання температури гарячої води у системі ГВП.

Для підготовки води використовується теплообмінник, гріючим середовищем в якому є прямий теплоносій від тепломережі. Холодна вода від ХВП підігрівається та подається у мережу ГВП. Згідно державних стандартів температура води ГВП повинна дорівнювати 60°С (для житлових будинків). Регулювання температури води у системі ГВП відбувається за рахунок зміни витрати гріючого теплоносія у теплообмінник.

3. Регулювання тиску в системі опалення.

Схеми приєднання систем опалення розділяють на залежні без змішування води, залежні зі змішуванням води й незалежні.

Залежне приєднання, при якому теплоносій з тепломережі без зниження температури (без змішування) подають споживачеві, є найбільш простим і зручним в експлуатації. Застосовують його при збігу температур теплоносія в системі опалення tг і в системі теплопостачання Т1.

Переважна більшість будинків приєднані по залежній схемі зі змішуванням теплоносія до температури tг <Т1. Раніше для змішування води встановлювали водоструминні насоси (гідроелеватори). Внаслідок їх непрацездатності і неефективності у двохтрубних системах опалення з терморегуляторами широке розповсюдження одержали схеми з насосним змішуванням води. Насос у схемі приєднання абонента дозволяє застосувати найбільш енергозберігаючі автоматизовані рішення по регулюванню систем абонента. Зявляється можливість не тільки кількісного, але і якісно-кількісного регулювання системи опалення практично.

Принципові схеми включення насосів показані на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Змішування теплоносія в тепловому пункті при залежному приєднанні абонента: а) з насосом на зворотній магістралі й регулятором теплового потоку із трьохходовим або двухходовим клапаном; б) з насосом на подаючій магістралі й регулятором теплового потоку із триходовим або двухходовим клапаном.

Найбільш доцільним рішенням для систем з терморегуляторами є використання автоматично регулюємих насосів. Інакше, необхідно робити перемички від подаючого до зворотного трубопровода, або байпаси навколо насоса.