ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / Energosberezhenie_2005

90

ГЛАВА 4

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Технологический процесс – совокупность последовательных действий и методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материалов или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции.

Технологический комплекс – совокупность рабочих машин и технологических агрегатов, составляющих одно целое при выполнении технологического процесса.

Автоматизированный технологический комплекс – это ком-

плекс, работа которого определяется задающей программой, осуществляющей контроль и регулирование электромагнитных, механических, технологических переменных, показателей качества готовой продукции, а также состояния электротехнического, механического и технологического оборудования.

Внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) является перспективным направлением энергосбережения. К объектам автоматизации относятся системы отопления, горячего и холодного водоснабжения, вентиляции, а также другое, самое разнообразное технологическое оборудование. Экономический эффект от внедрения АСУ ТП (свыше 30 % экономии энергоресурсов) достигается не только за счет точного регулирования параметров технологического процесса, но и как результат учета расхода энергоресурсов, мониторинга состояния технологического оборудования и, соответственно, уменьшения времени реакции персонала на аварийные и предаварийные события.

4.1.Структура систем автоматизации и диспетчеризации

Современные АСУ ТП представляют собой гибкие распределенные системы, состоящие из компонентов различных производителей и обладающие возможностью расширения как в количественном, так и в качественном отношении.

91

Для обзора тенденций развития и использования современных АСУ ТП воспользуемся моделью абстрактной АСУ ТП (рис.4.1).

Рис.4.1. Иерархическая структура АСУ ТП:

1 - модуль УСО, 2 - интеллектуальный модуль УСО, 3 - программируемый логический контроллер, 4 - специализированный логический контроллер, 5 - промышленная локальная сеть, 6 - локальный диспетчерский пульт, 7 - удаленный диспетчерский пульт, 8 - коммуникационное оборудование, 9 - каналы связи

АСУ ТП на этом рисунке представлена взаимодействующими между собой компонентами, расположенными на разных по функциональному назначению уровнях.

Уровень I – объект управления (ОУ). Здесь под ОУ понимается не только отдельная технологическая установка, например насос, а все объекты и установки, участвующие в технологическом процессе (или взаимосвязанных процессах).

Уровень II – датчики и исполнительные устройства. Этот уровень содержит компоненты либо предоставляющие информацию о состоянии технологического процесса (датчики), либо компоненты,

92

воздействующие на объект управления (исполнительные устройства ИУ).

Уровень III – устройства связи с объектами (УСО). Уровень включает компоненты, обеспечивающие сопряжение вычислительных устройств (управляющих контроллеров) с датчиками и ИУ.

Уровень IV – управляющие контроллеры. Уровень включает вычислительные устройства, обеспечивающие непосредственное управление ОУ или его составляющими.

Уровень V – диспетчеризация. Уровень содержит компоненты, обеспечивающие визуализацию и архивирование параметров технологического процесса, воздействие персонала на технологический процесс.

На рисунке 4.1 объекты разных уровней соединены между собой связями двух типов, обозначенных линиями разной толщины. Cвязи, показанные тонкими линиями, представляют собой сигнальные провода и кабели, соединяющие между собой управляющие контроллеры, модули УСО, датчики, исполнительные устройства, предназначенные для передачи аналогового и дискретного сигналов. Связи, показанные толстыми линиями, обозначают локальную промышленную сеть (fieldbus), объединяющую управляющие контроллеры, систему диспетчеризации и интеллектуальные модули УСО.

На рисунке 4.1 не отображен такой важный компонент АСУ ТП, как программное обеспечение (ПО). ПО АСУ ТП относится к уровням управляющих контроллеров, диспетчеризации, а также сетевому взаимодействию.

Представленная модель является обобщенной, в реальной жизни существуют АСУ ТП, где уровень V отсутствует или его функции (частично) выполняются устройствами IV уровня. То же самое можно сказать и о III уровне модели, когда функции УСО выполняются устройствами II и IV уровней.

4.2. Объекты управления

Основные характеристики типового объекта управления рассмотрим на примере автоматической системы регулирования теплового пункта (ТП). Рассмотрим принципы построения ТП, в состав которого входят три локальных системы:

93

-управления горячим водоснабжением (ГВС);

-управления отоплением;

-управления приточной вентиляционной установкой.

Всистему управления ГВС (рис.4.2) входит контур стабилизации температуры ГВС и система управления парой циркуляционных насосов 6. Стабилизация температуры горячей воды осуществляется запорно-регулирующим клапаном (КЗР), устанавливаемым на подающем трубопроводе 1 сетевой воды в бойлер 5 подогрева второй ступени, в соответствии с показаниями датчика температуры горячей воды 9 и заданной температурой, значение которой заранее введено в

индивидуальный электронный регулятор, установленный непосредственно на КЗР, или в общий контроллер.

Рис.4.2. Структурная схема системы управления ГВС:

1 - подающий трубопровод; 2 - обратный трубопровод; 3 - трубопровод холодной воды; 4 - бойлер 1-й ступени подогрева; 5 - бойлер 2-й ступени подогрева; 6 - рециркуляционный насос; 7 - датчик перепада давления на насосе; 8 - магнитный пускатель; 9 - датчик температуры горячей воды

Управление парой циркуляционных насосов предусматривает периодическое переключение последних с целью обеспечить парал-

94

лельную выработку ресурса. При запуске насоса контролируется подтверждение срабатывания магнитного пускателя, а затем и наличие перепада давления P на насосе. Отсутствие одного из сигналов воспринимается как отказ и вызывает выдачу команды на запуск резервного насоса.

Функции регулятора выполняет в настоящее время, как правило, контроллер – управляющее электронное вычислительное устройство. В задачу регулятора входит формирование сигнала рассогласования е между действительным y и требуемым x (уставка или задание) значением регулируемого параметра. В практике АСУ ТП часто используются следующие типовые алгоритмы регулирования: пропорциональный (П), пропорционально-интегральный (ПИ), пропорциональ- но-интегрально-дифференциальный (ПИД). Структурная схема системы автоматического регулирования y по отклонению x-y показана на рис.4.3. Выбор конкретного алгоритма регулирования определяется статическими и динамическими характеристиками объекта регулирования.

Рис.4.3. Структура системы автоматического регулирования

Пропорциональное регулирование осуществляется в соответствии с формулой

е=k(x-y),

где k - коэффициент усиления. При пропорциональном регулировании величина y никогда не достигает требуемого значения x (из-за нечуствительности исполнительных устройств к малым значениям e при x-y=>0), образуется статическая ошибка регулирования, которая тем меньше, чем больше коэффициент k. Однако при слишком больших коэффициентах k, нелинейная система может перейти в режим автоколебаний (к потере устойчивости). Выбор слишком малого значения k ведет не только к увеличению статической ошибки, но и к

95

увеличению времени реакции регулируемой системы на возмущения и, как следствие, – снижению качества регулирования.

Для устранения статической ошибки регулирования при формировании величины е вводят интегральную составляющую отклонения x-y:

е=k(x-y)+1/Ti ò (x-y)dt,

где Ti – постоянная интегрирования. Регулятор с таким законом регулирования называется пропорционально-интегральным регулятором.

Для достижения установившегося режима в интеграторе требуется достаточно большое время. Поэтому ПИ-регулятор можно использовать в случае, когда внешние воздействия достаточно медленные. Для ускорения реакции системы регулирования на внешние воздействия или изменение задания x в регулятор вводят дифференциальную составляющую

е=k(x-y)+ò(x-y)dt/Ti +Td×d(x-y)/dt,

где Td – постоянная дифференцирования. Регулятор с таким законом называется пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором.

Система управления отоплением показана на рис.4.4.

Она включает контур регулирования температуры отопительной системы и, как в предыдущем случае, – систему управления парой циркуляционных насосов.

Главное отличие системы управления отоплением от системы стабилизации температуры ГВС заключается в алгоритме формирования требуемого значения температуры стабилизации. Если в ГВС это значение является постоянным, то в системе отопления целесообразно обеспечить регулирование температуры теплоносителя в соответствии с температурой окружающей среды. Требуемое значение температуры в системе отопления может корректироваться по суточному и недельному графикам (снижение в ночные часы и выходные дни). В случае завышения температуры обратной сетевой воды система может автоматически переходить на регулирование температуры в обратном трубопроводе по графику тепловой сети.

96

Рис.4. 4. Структурная схема системы управления отоплением: 1 - подающий трубопровод; 2 - обратный трубопровод; 3 – отопительный бойлер; 4 - датчик температуры в системе отопления; 5 - датчик температуры обратной воды; 6 - датчик температуры наружного воздуха; 7 - датчик температуры в помещении; 8 - циркуляционный насос; 9 - магнитный пускатель; 10 - датчик перепада давления на насосе

Система управления приточной вентиляционной установ-

кой (рис.4.5) обеспечивает стабилизацию температуры приточного воздуха, ограничение температуры обратной сетевой воды и защиту калорифера от размораживания. Стабилизация температуры приточного воздуха осуществляется КЗР, устанавливаемым на трубопроводе сетевой воды, поступающей из калорифера в соответствии с показаниями датчика температуры приточного воздуха и уставкой. При завышении температуры обратной воды происходит переход на регулирование температуры обратной воды в соответствии с графиком тепловой сети. Приточная установка функционирует в двух режимах: "Лето" и "Зима". После поступления команды на включение установки вентилятор включается сразу или с задержкой. В режиме "Зима" задержка включения необходима для обеспечения поступления теплоносителя в калорифер до начала поступления холодного воздуха. В течение времени задержки выдается команда на открытие КЗР. Таким образом, регулировка температуры приточного воздуха начинается при полностью открытом клапане. После поступления команды на

97

включение вентилятора через заданное время ожидаются сигналы от датчиков обратной связи – магнитного пускателя и датчика реле перепада напора на вентиляторе. Отсутствие одного из сигналов квалифицируется как отказ и вызывает выдачу сигнала аварии вентилятора. Воздушная заслонка управляется исполнительным механизмом типа МЭО (механизм электрический однооборотный) и открывается по команде запуска вентилятора, при этом в зимнем режиме открытие происходит медленно, чтобы избежать замерзания калорифера. После выключения вентилятора заслонка закрывается автоматически с помощью электрической схемы подключения МЭО.

Опасность замерзания воды контролируется по ее температуре на выходе из калорифера и сигналу термореле на его поверхности. В случае обнаружения опасности замерзания или срабатывания датчика пожарной сигнализации приточная установка переводится в стояночный режим, т.е. выдается команда отключить вентилятор и перейти к стабилизации температуры обратной сетевой воды на заданном уровне.

Рис.4.5. Структурная схема системы управления вентиляцией: 1 – калорифер; 2 – вентилятор; 3 - воздушная заслонка; 4 – МЭО; 5 – КЗР; 6 - магнитный пускатель; 7 - датчик реле перепада напора; 8 - датчик температуры наружного воздуха; 9 - датчик температуры обратной воды; 10 - датчик термореле; 11 - датчик температуры приточного воздуха; 12 - датчик пожарной сигнализации

98

4.3. Датчики

Аналоговые датчики с унифицированным выходным сигналом преобразуют значение измеряемой величины в один из сигналов, характеристики которых приведены в табл.1. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) измерительных приборов и управляющих контроллеров могут подключаться к таким источникам сигнала непосредственно без использования каких либо промежуточных преобразователей сигнала.

В системах автоматического управления электроприводом сигналы, пропорциональные току и напряжению, снимаются с шунтов, трансформаторов тока и трансформаторов напряжения. Преобразованные сигналы датчиков используются также для измерения ЭДС, мощности, магнитного потока и т.д. Одной из основных задач при создании датчиков тока и напряжения является гальваническое разделение силовых цепей и цепей управления.

В качестве датчиков тока широко используются преобразователи, основанные на эффекте Холла. Эти преобразователи изготовляются в виде магнитопроводов с зазором. Магнитопровод из магнитомягкого материала намагничивается с помощью обмотки, по которой течет измеряемый ток. В зазоре устанавливается датчик Холла, питаемый от стабилизированного источника тока. Датчики тока с использованием эффекта Холла обеспечивают гальваническую развязку

99

между цепями измерения и выходными цепями датчика при напряжениях до нескольких киловольт, точность до 1 % и полосу пропускания до 10 кГц.

Датчики параметров движения предназначены для получения информации о линейных и угловых перемещениях, скоростях и ускорениях.

Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам перемещений, являются: высокая точность измерения (или контроля) перемещений, быстродействие, надежность, помехоустойчивость информативного параметра и малые нелинейные искажения.

По физическому принципу действия чувствительного элемента все существующие датчики можно разделить:

-на фотоэлектрические (оптоэлектронные), использующие эффект периодического изменения освещенности (датчики снабжаются каналом нулевого импульса – началом отсчета, что дает возможность при наличии счетчика использовать датчик не только как датчик скорости, но и как датчик положения);

-электростатические – емкостные (основанные на эффекте периодического изменения емкости) и пьезоэлектрические (основанные на эффекте возникновения электрического заряда на поверхности некоторых материалов в момент деформации);

-электромагнитные (использующие, например, эффект периодического изменения индуктивности или взаимоиндуктивности);

-электроакустические (основанные, например, на эффекте изменения энергии поверхностной акустической волны);

-реостатные (использующие эффект линейного изменения сопротивления);

-лазерные (интерферометрические).

Сравнительный анализ перечисленных датчиков показывает, что, например, электростатические, в частности емкостные, датчики обладают высокой чувствительностью и добротностью, малой нелинейностью характеристики, малыми тепловыми потерями. Однако широкое распространение емкостных датчиков ограничено большим выходным сопротивлением, необходимостью жесткой герметизации, трудностью исключения влияния паразитных емкостей.