2004
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)»
В.И. Сологаев
АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ
Учебное пособие
Омск
2018
УДК 64.011.56+696+697:628.8 ББК 31.32
С60
Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке не подлежит.
Рецензенты:
д-р геогр. наук, проф. И.В. Карнацевич (ОмГПУ); канд. техн. наук Р.Ш. Абжалимов (Омскгражданпроект)
Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве учебного пособия.
Сологаев, Валерий Иванович.
С60 Автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции [Электронный
ресурс] : учебное пособие. – Электрон. дан. – Омск : СибАДИ, 2018. – Режим доступа: http://bek.sibadi.org/fulltext/bn1092.pdf, свободный после авторизации. – Загл. с экран
Является вспомогательным материалом при изучении основ автоматизации систем теплогазоснабжения и вентиляции (ТГВ). Может служить первоначальным ориентиром для студента-строителя при знакомстве с этой дисциплиной. Отражены главные положения и закономерности автоматизации ТГВ, необходимые специалистам по строительству. Теория автоматизации проиллюстрирована примерами, наиболее характерными для строительной практики. Основной акцент сделан на современных тенденциях, связанных с компьютеризацией систем ТГВ. Предназначено для обучающихся всех форм обучения по профилю «Теплогазоснабжение и вентиляция» направления «Строительство».
Имеет интерактивное оглавление, алфавитно-предметный указатель и внутритекстовые ссылки в виде электронных закладок и адресов.
Подготовлено на кафедре «Городское строительство, хозяйство и экспертиза объектов недвижимости».
Текстовое (символьное) издание(588 КБ)
Системные требования: Intel, 3,4 GHz; 150 Мб; Windows XP/Vista/7; DVD-ROM;
1 Гб свободного места на жестком диске; программа для чтения pdf-файлов: Adobe Acrobat Reader; Foxit Reader
Издание первое. Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5
РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1
ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2018
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ ..............................................................................................………............ 3 Как изучать автоматизацию систем ТГВ .....................................………............. 3 Как пользоваться учебным пособием ............................................………............ 3 Что скачать из Интернета …………………...............……..….....………............. 4 Три базовых примера автоматизации ............................................………............ 5
Пример 1 ...................................................................................…………....... 5 Пример 2 ...............................................................................…………........... 7 Пример 3 ...............................................................................…………........... 12
1.ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТГВ ..............................................………............... 14
1.1.Уровни автоматизации систем ТГВ .....................................………............... 14
1.2.Термины теории автоматического управления ..................………................ 15
1.3.Техника автоматизации систем ТГВ ..................................………................. 19
2.АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ .....................………............ 22
2.1.Измерение температуры в системах ТГВ ................................……….......... 22
2.2.Измерение давления в системах ТГВ .......................................……….......... 23
2.3.Измерение расхода в системах ТГВ .....................................……….............. 24
2.4.Измерение уровня в системах ТГВ ..........................................………........... 24
2.5.Измерение относительной влажности в системах ТГВ ........………............ 25
3.АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ............………........... 26
3.1.Автоматическое регулирование температуры .........................……….......... 26
3.2.Автоматическое регулирование давления ..............................………............ 26
3.3.Автоматическое регулирование расхода ................................………............ 27
3.4.Автоматическое регулирование относительной влажности ....………........ 27
4.ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ СИСТЕМ ТГВ ......………................. 28
4.1.Условные обозначения ......................................................………................... 28
4.2.Автоматизация систем теплоснабжения ......................………..................... 35
4.3.Автоматизация систем отопления ................................………...................... 37
4.4.Автоматизация систем водоснабжения .......................………....................... 38
4.5.Автоматизация систем водоотведения .........................………...................... 39
4.6.Автоматизация систем вентиляции ...............................………..................... 40
4.7.Автоматизация систем газоснабжения ......................………......................... 41 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...........................................................................………......................... 42 Контрольные вопросы …………..............…...…………………………….................... 43 Алфавитно-предметный указатель ..……..…….…….…….……..……...…..………... 48 Библиографический список ...................................................................………............. 49
ВВЕДЕНИЕ
Как изучать автоматизацию систем ТГВ
Автоматизация – это самоуправление, саморегулирование технических систем. Автоматизация теплогазоснабжения и вентиляции (ТГВ) является прикладной наукой, изучающей закономерности функционирования технических систем ТГВ без участия человека, но под его контролем. Цель курса состоит в формировании необходимых знаний, навыков и компетенций учащихся по проектированию автоматизации ТГВ. Студенты должны понять и закрепить на занятиях с преподавателем, а также самостоятельно, основы автоматизации ТГВ, имеющие практическое значение в области строительства, по своему профилю.
В учебном процессе курс автоматизации ТГВ базируется на предшествующих дисциплинах по теплотехнике и гидравлике, инженерным сетям и оборудованию зданий и сооружений (водопровóд, канализация, отопление, вентиляция), а также по физике и математике, иногда по химии.
Автоматизация систем ТГВ – дисциплина не простая, но перспективная, актуальная для современного строительства. Изучать её надо вдумчиво и постепенно. Поэтому в данном учебном пособии все теоретические основы рассмотрены с примерами.
Как пользоваться учебным пособием
Прежде всего надо бегло просмотреть его целиком. Затем внимательно прочитать от начала до конца. В конце пособия есть дополнительные полезные разделы:
контрольные вопросы экзамена на с. 43;
библиографические ссылки [ 1; 2; 3; 4] на с. 49.
Учебное пособие является лишь вспомогательным материалом. Цель данного учебного пособия – кратким телеграфным стилем преподать основные положения автоматизации, которые необходимо знать в практической деятельности специалистам ТГВ по строительству. При подготовке к экзамену по прилагаемым контрольным вопросам надо использовать рекомендованные учебники (см. заключение на с. 42).
3
Что скачать из Интернета
Закон об образовании РФ даёт право преподавателю вуза внедрять личную методологию обучения. Это открывает широкие творческие возможности в развитии отечественного образования.
В данном учебном пособии представлена оригинальная методика применения компьютерных технологий для развития образования, в том числе дистанционного, с программированием для Интернета, персональных компьютеров и мобильных телефонов.
Вот один из первых учебных сайтов автора: http://sologaev2010.narod.ru
Сайт открыт в 2003 году. Все материалы сайта могут быть свободно использованы студентами, аспирантами и преподавателями в учебных целях. Однако в настоящее время основными сайтами автора являются следующие:
http://sologaev.ucoz.ru
http://sologaev.umi.ru
Все исполняемые файлы сайтов запускаются как под проприентарными операционными системами (ОС) Windows XP/Vista/7/8/10, так и под свободными ОС – Linux и FreeBSD. Для Windows Vista/7/8/10, а также ОС Linux и FreeBSD на сайте есть необходимая динамическая библиотека msvbvm50.dll.
Электронные экзамены и зачёты для персональных компьютеров, планшетов и мобильных телефонов разработаны автором на языках программирования C, Visual Basic, Macromedia ActionScript и Java.
Деловая игра «Миллионер автоматизации ТГВ», размещённая на наших сайтах, имеет базу вопросов экзамена. Её можно запускать на компьютерах, ноутбуках, планшетах и мобильных телефонах.
Рекомендуется получить с сайта:
экзамен «Автоматизация ТГВ» для компьютера (формат exe);
экзамен «Автоматизация ТГВ» для мобильного телефона (swf);
деловую игру «Миллионер автоматизации ТГВ» (exe, swf);
учебное пособие «Автоматизация систем ТГВ» (pdf);
расписание ближайших консультаций Сологаева В.И. (текст).
Кроме упомянутых сайтов, автор рекомендует находить в Интернете книги, фотографии и видео по теме автоматизации ТГВ. Например, хорошая подборка книг и др. есть на студенческом сайте:
http://twirpx.com
4
Три базовых примера автоматизации
Рассмотрим три базовых примера автоматизации:
1)радиатор отопления с автоматическим терморегулятором, с. 5;
2)автоматическое наполнение бака водой, с. 7;
3)пуск электрической цепи с катушкой индуктивности, с. 12. Почему они базовые? С них начнём знакомство с основами
автоматизации. Для эффективного проектирования автоматизации ТГВ надо быть всесторонне развитым техническим специалистом, понимать теорию и применять её на практике.
Пример 1.
Радиатор отопления с автоматическим терморегулятором.
В комнате установлен радиатор отопления, к которому подходит две трубы: Т1 – подающая сверху горячую воду в радиатор в качестве теплоносителя; Т2 – обратная труба, на выходе снизу из радиатора (рис. 1).
Рис. 1. Радиатор отопления с автоматическим
терморегулятором (слева вверху в виде выступающей белой рукоятки)
5
Снаружи здания зима, отрицательная температура воздуха –30 ºС. Радиатор для данной комнаты является источником тепла. Обычно по нормативам на вход радиатора температура воды в Т1 должна быть +95 ºС, а на выходе из трубы Т2 немного меньше +70 ºС. Однако цель отопления комнаты вовсе не обеспечение температурного перепада на входе Т1 и выходе Т2 из радиатора, цель отопления – обеспечить постоянную комнатную температуру, например, +20 ºС.
Рассмотрим два варианта управления отопительным радиатором:
в ручном режиме;
в автоматическом режиме.
Ручной режим управления может возникнуть в нестандартных или даже в чрезвычайных ситуациях. Предположим, произошла поломка автоматики терморегулятора и он заменён на обычный вентиль, проходной кран или на кран «американка» (рис. 2). Тогда человек, находящийся в комнате должен вручную управлять: либо откручивать кран — станет теплее, либо закручивать — станет холоднее. Так вручную будет меняться расход теплоносителя — горячей воды, проходящей через радиатор, м3/с.
Рис. 2. Кран «американка» (слева)
иавтоматический терморегулятор (справа)
Вавтоматическом режиме терморегулятор делает то же самое, но вместо человека. Когда в комнате становится холоднее, чем +20 ºС
–его клапан приоткрывается и чуть увеличивает расход теплоносителя. Наоборот, когда в комнате становится теплее, чем +20 ºС – клапан слегка закрывается, расход теплоносителя через радиатор уменьшается, температура в комнате стремится к +20 ºС.
6
Для поддержания в комнате постоянной температуры +20 ºС надо сделать 8 шагов (действий) либо человеку (вручную), либо автомату (терморегулятору):
шаг 1 – задать требуемую температуру +20 ºС (задатчик); шаг 2 – измерить фактическую температуру в комнате (датчик); шаг 3 – найти разницу этих температур (рассогласование); шаг 4 – найти на сколько и куда повернуть клапан (регулятор);
шаг 5 – воздействовать на клапан исполнительным механизмом; шаг 6 – ждать установления температуры (запаздывание); шаг 7 – вернуться к шагу 2 и 3, и, если рассогласование менее 5%,
то перейти к шагу 8, но если оно более 5%, то опять пройти шаги 4, 5, 6, 7 — продолжать регулировать, пока рассогласование не станет меньше 5%;
шаг 8 — закончить регулирование (установление).
Нетрудно заметить, что перечисленный цикл регулирования (шаги 1–8) весьма напоминает компьютерную программу, написанную естественным языком на псевдокоде. Современные системы автоматизации ТГВ всё чаще и чаще снабжают программируемыми контроллерами. В наиболее продвинутых системах автоматизации ТГВ человек заранее задаёт программу регулирования. Например, утром и вечером нагревать помещение до +20 ºС, а днём, пока никого нет дома, поддерживать +15 ºС, лишь бы не охладить здание. Вечером, к приходу в дом, температура опять должна быть повышена автоматически до +20 ºС.
Мы рассмотрели 1-й пример автоматизации ТГВ. Самым главным в нём был алгоритм автоматизации из 8 шагов – так работают почти все системы автоматизации. В дальнейшем иногда будем возвращаться к данному примеру.
Пример 2.
Автоматическое наполнение бака водой.
В 1765 году в России, в городе Барнауле, Иван Иванович Ползунов впервые в истории автоматизации изобрёл автоматический поплавковый регулятор уровня воды для заводского парового котла. Почти такой же регулятор уровня используют и в современном смывном бачке (рис. 3), пример работы которого рассмотрим далее. Это даст много полезных начальных сведений по автоматизации ТГВ, так как поддержание уровня воды применяют в котлах, водонагревателях и т.д.
7
Рис. 3. Поплавковый клапан смывного бачка
В начальный момент времени при t = 0 с, когда бачок пустой, поплавок лежит внизу, а клапан, подающий холодную воду из хозяйственно-питьевого водопровода В1, полностью открыт и имеет максимальный нормативный расход воды
q0 = 0,2 л/с = 200 см3/с, а уровень воды стоит на стартовой отметке
z0 = 0 см. Рассмотрим 3 варианта наполнения водой бачка:
1)самый простой — нестандартная ситуация q0 = const;
2)теоретический — расход клапана q(t) убывает линейно;
3)фактический — расход клапана q(t) убывает нелинейно. Входным параметром тут является расход воды q(t), а выходным
параметром — вертикальная отметка уровня воды z(t), см. Кроме того, для удобства расчётов единицы измерения будут не в СИ: расход q(t), см3/с, уровень z(t), см.
1-й вариант наполнения водой бачка – произошла нестандартная ситуация, автоматика перестала работать. Например, поплавок потерял герметичность, наполнился водой и лежит на дне бачка. Тогда расход всегда постоянный q0 = const = 200 см3/с. Когда уровень воды поднимется до максимальной конечной отметки zк = 10 см, то нужно вручную перекрыть воду из В1. Время переходного процесса обозначим tк, с. Это время достижения уровнем воды максимальной конечной отметки zк = 10 см. Графики изменения входного и выходного параметра показаны на рис. 4.
8
|
|
q, z |
|
|
|
q |
|
= 200 см3/с |
|
1 |
|
0 |
|
|
|
||
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
zк = 10 см |
|
|
|
|
|
2 |
1 |
||
|
|
|
|
||
0 |
|
|
0 |
tк = 40 с |
t |
Рис. 4. Параметры: 1— входной q(t); 2 — выходной z(t) |
||
Поясним, как определено время регулирования процесса подъёма уровня воды в бачке tк = 40 с. Оно же – время установления, оно же – время переходного процесса.
Площадь свободной поверхности воды в бачке (площадь зеркала воды)
S = 40·20 = 800 см2.
Исходное дифференциальное уравнение баланса воды имеет вид
q0=S dzdt ,
где dz/dt – мгновенная скорость подъёма уровня воды в бачке. Разделим переменные z и t и проинтегрируем в пределах:
tк zк
∫q0 dt =∫S dz .
00
Так как под знаками интегралов константы, то получим, раскрывая пределы интегрирования,
q0 t к=S zк ,
откуда время регулирования в ручном режиме
tк = S zк = 800см2 10 см =40c . q0 200 см3/c
2-й вариант наполнения водой бачка – расход воды из клапана q(t) убывает линейно, то есть по закону прямой наклонной линии, как показано на рис. 5. На самом деле расход убывает нелинейно, то есть по закону кривой линии. Тем не менее рассмотрим случай с прямой.
9