Методическое пособие 637

ные периоды («начало – окончание» отопительного сезона) повышать потребление тепловой энергии.

Методом снижения температуры внутри помещений можно воспользоваться в период с 20 часов до 4 часов утра. С 4 часов утра до 8 часов помещения будут приобретать рабочую температуру необходимую для нормального рабочего процессса.

Снижение общего потребления тепла в сутки до 5 %или на 15 % в течение 8 часов дает значительную экономию в год. Так же изменения рабочего графика потребления позволит регулировать температуру в помещениях до оптимальной.

Общий вид типовой конструкции регулируемого теплового узла представлен на рис. 5.2.

Современная система теплоснабжения также должна быть автоматизирована. Автоматизация диктуется жизненной необходимостью и требованиями, указанными выше в строительных нормах и правилах (СНиП).

Рис. 5.2. Регулируемый тепловой узел здания [20]

70

Автоматизация решает целый комплекс задач:

–обеспечение в течение разных времен года стабильных комфортных температур воздуха в отапливаемых помещениях на уровне, заданном самим потребителем;

–поддержание заданной температуры воды в системе горячего водоснабжения (ГВС) и отопления;

–экономия тепловой энергии или топлива, а также снижение материальных затрат, которое достигается путем максимального использования для отопления «бесплатных» теплопоступлений (от людей, других приборов, солнца, и т. д.), снижения температуры воздуха и горячей воды в системе ГВС во временно неэксплуатируемых помещениях. Данные факторы отражаются и учитываются в автоматической системе регулирования. На их основе строится оптимальная модель управления. При использовании средств автоматизации экономия тепла или топлива составляет не менее 20% от их годового расхода и зависит от режима теплопотребления;

–упрощение эксплуатации и надзора за системой теплоснабжения (не требует вмешательства человека в управление, имеет возможность автоматического сбора данных);

–уменьшение загрязнений окружающей среды выбросами продуктов сгорания в атмосферу.

Степень автоматизации и выбор ее технических средств зависят от многих факторов: масштаба здания, количества и вида систем теплопотребления, способа теплоснабжения, особенностей используемого оборудования, пожеланий заказчика

идр. Автоматизации могут подвергаться все элементы системы теплоснабжения как комплексно, так и выборочно.

С целью автоматизации работы в состав физической модели входит программируемый логический контроллер DeltaDVP20-EX2, регулятор мощности переменного тока напряжением 220В AutonicsSPC1, широтно-импульсный преобразователь, реализованный с помощью микроконтроллера ATtiny13A-PU, термосопротивления, нормирующие усилители, преобразующие сигнал с термосопротивлений в сигнал для контроллера 0-5В.

71

С помощью программного обеспечения ISPSoft разрабатывается и загружается в контроллер программа с алгоритмами управления физической моделью. Используются кнопки «Старт» и «Стоп» для запуска и остановки всех процессов в модели. Режим работы проточного водонагревателя и алгоритмы его функционирования задаются на уровне программирования контроллера.

Все чаще автоматизация за счет применения электронных вычислительных средств большой мощности становится неразрывно связана с диспетчеризацией – процессом централизованного оперативного контроля и дистанционного управления, с использованием оперативной передачи информации между объектами диспетчеризации и пунктом управления.

Отображение логики контролируемых и управляемых процессов, а также упрощение поиска и опознания нужной информации являются главной задачей мнемосхемы объекта. Мнемосхема – совокупность сигнальных устройств и сигнальных изображений оборудования и внутренних связей контролируемого объекта, размещаемых на диспетчерских пультах, операторских панелях или выполненных на персональном компьютере. Информация, которая выводится на мнемосхему, может быть представлена в виде аналогового, дискретного и релейного сигнала, а также графически. Наглядно отображая структуру системы, мнемосхема облегчает оператору запоминание схем объектов, взаимосвязь между параметрами, назначение приборов и органов управления. В процессе управления мнемосхема является для оператора важнейшим источником информации о текущем состоянии системы, характере и структуре протекающих в ней процессов, в том числе связанных с нарушением технологических режимов, авариями и т. п.

Мнемосхемы помогают оператору, работающему в условиях большого количества поступающей информации, облегчить процесс информационного поиска, подчинив его определенной логике, диктуемой реальными связями параметров контролируемого объекта. Они облегчают оператору логическую систематизацию и обработку поступающей информации,

72

помогают осуществлению технической диагностики при отклонениях процесса от нормы, обеспечивают внешнюю опору для выработки оптимальных решений и формирования управляющих воздействий.

С целью диспетчеризации для данного стенда была создана мнемосхема (рис. 5.3). Она позволяет удаленно следить за процессами в системе, способствует упрощению поиска и опознания нужной информации и оперативному принятию правильных решений, а также оповещает при аварии. На ней наглядно представлены ключевые элементы системы, индикаторы мощности, а также датчики температуры. Контроллер получает информацию с датчиков и записывает ее во внутренние переменные. Далее передает данные из собственных внутренних переменных через OPC-сервер. OPC-сервер отвечает за получение данных, запрошенных клиентом, от соответствующего устройства управления процессом. Технология OPC позволяет различным программным модулям, разработанным самостоятельно или другими компаниями, взаимодействовать друг с другом через унифицированный интерфейс. Взаимодействие между оператором и OPC-сервером реализуется с помощью программного обеспечения класса SCADA. Основные функции SCADA-систем заключаются в сборе данных о контролируемом технологическом процессе и управлении этим процессом на основе собранных данных, а также правил, выполнение которых обеспечивает наибольшую эффективность и безопасность технологического процесса. В SCADA-системе переменные обрабатываются и выводятся на мнемосхему в виде численных значений, стрелочных индикаторов, шкал.

Указание мер безопасности

Перед началом выполнения лабораторных работ, студенты обязаны изучить инструкцию по технике безопасности и противопожарным мерам для работающих в лаборатории, ознакомиться с расположением силового электрооборудования и распределительного щита.

73

Во избежание несчастных случаев при работе в лаборатории необходимо строгое выполнение следующих основных положений правил техники безопасности:

1.До начала работы все ее участники должны на месте подробно ознакомиться со схемой соединений, усвоить расположение электрических цепей и элементов электрооборудования, обратив особое внимание на место расположения выключателей со стороны питающей сети.

2.Сборка схемы и ее изменение должны производиться без напряжения, при отключенных выключателях со стороны питающей сети.

3.Нельзя прикасаться руками к неизолированным проводам, соединительным клеммам и другим частям схемы, находящимся под напряжением.

4.Перед включением установки необходимо проверить, что отсутствует опасность прикосновения к токоведущим элементам схемы.

5.В случае неисправности установки необходимо её немедленно отключить и сообщить об этом преподавателю.

6.Несоблюдение правил техники безопасности может вызвать несчастный случай с людьми и выход из строя дорогостоящего оборудования.

7.Если произойдет несчастный случай, то лабораторную установку следует немедленно обесточить, а пострадавшему оказать первую помощь.

8.При возникновении в схеме установки аварийных режимов (перегрузка током, электрические пробои изоляции, короткие замыкания, чрезмерное увеличение скорости вращения электрических машин и т. д.) установка должна быть отключена и об этом следует сообщить преподавателю.

9.Одежда лиц, работающих с вращающимися агрегатами, должна быть аккуратной, чтобы полностью исключить опасность захвата частей одежды вращающимися частями машин. Прическа не должна ограничивать поле зрения работающего во избежание случайного прикосновения элементов схем, находящихся под напряжением.

74

75

Рис. 5.3. Мнемосхема физической модели

Методика испытаний по стенду

Подготовительная часть

1. Подключить один конец интерфейсного кабеля к разъему на лицевой панели микроконтроллера, другой – к порту RS-232 на задней стороне корпуса системного блока персонального компьютера

2.Вставить силовую вилку питания стенда в соответствующую розетку

3.Включить автомат QF1, переведя ручку автомата в верхнее положение. Нажать на кнопку «Т» (Тест) на автомате, при этом автомат должен отключиться (ручка отщелкнуться в нижнее положение). Отключение автомата после нажатия кнопки «Т» свидетельствует об исправной работе. При неисправности остановить выполнение лабораторной работы, отключить автомат вручную, вытащить силовую вилку питания из розетки и сообщить о неисправности преподавателю или ассистенту.

4.При исправной работе автомата QF1 включить автоматы QF2, QF3, переведя ручки автоматов в верхнее положение. При этом должна загореться лампа «Сеть».

5.Убедиться, что на лицевой панели ПЛК загорелся индикатор «Power». Дождаться, пока на лицевой панели ПЛК загорится индикатор «Run». Если индикатор «Power» не загорелся или индикатор «Run» не загорелся спустя минуту после индикатора «Power», остановить выполнение лабораторной работы, отключить автоматы, вытащить силовую вилку питания из розетки и сообщить о неисправности преподавателю или ассистенту.

6.При исправной работе ПЛК на персональном компьютере запустить ярлык «Collector», находящийся на рабочем столе. После этого должна запуститься программа SCADAсистемы.

7.Убедиться, что установлена связь ПЛК – SCADAсистема по интерфейсу RS-232. Для этого проверить наличие

показаний датчиков температуры в окне программы. При от-

76

сутствии показаний сообщить о неисправности преподавателю или ассистенту.

Экспериментальная часть

1.В программе нажать кнопку «Старт». При этом в течение 10-ти секундного интервала времени должен включиться насос. Если насос не включился, остановить выполнение лабораторной работы, нажать в программе на кнопку «Стоп», сообщить о неисправности преподавателю или ассистенту. В программе последовательно включить/выключить выключатель насоса, охладителя. Описать происходящие при этом процессы.

2.В программе поочередно включить и затем отключить выключатели насоса, охладителя. Описать происходящие при этом процессы.

3.Включить выключатель насоса. В программе в поле для задания температуры ввести заданное преподавателем или ассистентом число. Включить выключатель нагревателя и выключатель «ПИД-регулятор». При этом должен начаться нагрев рабочей жидкости, что фиксируется по датчику температуры t1.

4.В программе включить выключатель охладителя. Изменять мощность охладителя согласно заданию преподавателя или ассистента. При этом следить за показаниями датчиков температуры, графиками мощности. Сохранить и проанализировать графики во время переходных процессов температуры t3.

5.Выключить нагреватель и охладитель, нажав на соответствующие кнопки «Выкл.». Нажать на кнопку «Стоп». Отключить автоматы, вытащить силовую вилку питания из розетки.

Обработка данных

Сохранить и проанализировать графики, полученные в результате проведения работ.

77

Лабораторная работа № 6

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ НА БАЗЕ ВЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ (ГЕЛИОСИСТЕМ)

Теоретические сведения

Энергия – физическая величина, являющаяся универсальной мерой различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую. Выявленные и учтённые природные запасы и источники энергии, пригодные для практического использования человеком, называются энергетическими ресурсами.

Используемое сегодня органическое топливо обязано своим происхождением фотосинтезу растительности болот доисторической эпохи. В связи с этим запасы угля, нефти, природного газа относят к невозобновляемым энергоресурсам. К возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относят энергию рек, энергию ветра, лучистую энергию солнца, энергию приливов и отливов, растительное топливо.

В последнее время, не только в России, но и во всём мире, всё более актуальным становится вопрос об истощении запасов «традиционных» источников энергии. По прогнозу Международного энергетического агентства, при сохранении современных тенденций в мировой энергетике, в период до 2020 г глобальное потребление первичных энергоресурсов может возрасти на 65%. При современных темпах роста потребления ископаемых видов топлива запасов нефти хватит максимум на 75 лет, природного газа – не более чем на 100 лет, угля – на 200 лет.

Кроме этого, в последнее десятилетие во всём мире также актуальным становится вопрос об ухудшении экологической обстановки, а, как хорошо известно, существующие на сегодняшний день технологии получения энергии от ископаемых источников являются одними из наиболее «экологически

78

грязных». В связи с этим, в конце 1997 года на третьей Конференции Сторон Рамочной Конференции ООН по Изменению Климата (РКИК) в Киото, был принят Киотский протокол РКИК, закрепляющий количественные обязательства развитых стран и стран с переходной экономикой, включая Россию, по ограничению и снижению поступления парниковых газов в атмосферу.

Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в мире в настоящее время оценивается в 20 млрд. тонн у.т. в год, что в два раза превышает объем годовой добычи всех видов ископаемого топлива. И это обстоятельство указывает путь развития энергетики ближайшего будущего.

В связи с вышеизложенным, во всём мире возрастает интерес к альтернативным источникам энергии, позволяющим использовать энергию возобновляемых, экологически чистых источников (ВИЭ), и самому масштабному из них солнечному. Интенсивность потока солнечного излучения составляет 1,4 Вт/м2, из которого утилизируется примерно 80-70%, а остальная часть энергии рассеивается прямым отражением. Коэффициент отражения (альбедо) зависит от характерных особенностей поверхности, на которую падают солнечные лучи, т.е. от того, является ли она песчаной пустыней, снежной равниной, водной гладью, облачностью и т.п.

Проблема обеспечения возрастающих потребностей в электроэнергии намного облегчилась бы, если бы стало возможным эффективное прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Однако КПД такого преобразования слишком низкий (примерно 20%) при высокой стоимости преобразователей. В связи с чем, очень важно повышать эффективность работы всех элементов солнечных тепловых генераторов энергии.

С её помощью можно сэкономить до 60% годовых расходов теплоты на отоплении и ГВС. Чтобы осуществить интеграцию солнечных систем в систему теплоснабжения требуется четкое согласование системных компонентов, а также правильное проектирование системы теплоснабжения и квалифи-

79