Структура типового ИТП на базе автоматических систем контроля и регулирования процессом отопления здания

Основной состав функциональных элементов автоматизированного ИТП и особенности регулирования температуры в системе отопления рассмотрим на примере типовой блок-схемы, показанной на рис. 2.1. Для этого ИТП характерна независимая схема присоединения системы отопления к тепловым сетям. Предусмотрено, что подача горячей воды осуществляется, например, от ЦТП. Для системы теплоснабжения здания характерна схема узла учета

теплопотребления УУТ, показанная на рис. 2.2, на базе применения теплосчетчика, например, КМ-5М с использованием трех

измерительных модулей типа АСД и тахометрического датчика расхода с учетом циркуляционной системы горячего водоснабжения от ЦТП.

Следует отметить, что на блок-схемах автоматизации ОУ отображаются только те функциональные элементы систем автоматического контроля и управления, которые необходимы для изучения функционирования этих систем, причем графическое изображение элементов этих систем может соответствовать функциональным, структурным, принципиальным и другим типам схем. Важно отметить, что функциональные линии связей на этих схемах могут пересекаться только под прямым углом (трубопроводы, электрические провода и другие виды функциональных связей), а в местах их соединения ставится точка с диаметром, незначительно превышающим толщину пересекающих линий связи. При этом на блок-схемах автоматизации ОУ трубопроводы, электрические провода и другие виды функциональных связей обозначаются в виде линий.

САР отопления здания содержит следующие приборы и оборудование:

• регулирующий клапан К1 с исполнительным механизмом

М3;

• • регулятор перепада давления прямого действия РС1 с клапаном КЗ и узлом регулирования;
• • теплообменник ТО 1;
• • моноблок циркуляционных насосов Н1 и Н2 с соответствующими электроприводами Ml и М2;
• • датчик давления РЕ 1;
• • специализированный контроллер ТК1 (для регулирования температуры в системе отопления);
• • контроллер ТК2 (для управления насосами);

• • погружные датчики температуры теплоносителя в подающем трубопроводе ТЕ1 системы отопления здания (СО здания) и обратном трубопроводе ТЕ2, связанном с тепловыми сетями, а также датчик температуры наружного воздуха ТЕЗ;
• • подпиточный контур (трубопровод ТЗ, соединяющий обратный трубопровод Т2 и СО здания), например, содержит: клапан К2 с электромагнитным приводом УА1, связанный с датчиком-реле давления РЕ2, а также клапан обратный KOI, расширительный бак Б1 с предохранительным клапаном КП 1.

Подающий Т1 и обратный Т2 трубопроводы ИТП связаны с тепловыми сетями.

К контроллеру ТК1 подключены:

• • исполнительный механизм М3 к выходу ТК1 (Yl. 1);
• • датчики температуры ТЕ1 - ТЕЗ к соответствующим аналоговым входам (ХЕ1 -Х1.3).

К контроллеру ТК2 подключены:

• • электроприводы Ml и М2 моноблока насосов к соответствующим выходам ТК2 (Y2.1 и Y2.2);
• • датчик давления РЕ 1 к аналоговому входу (Х2.1).

Рис. 2.1. Блок-схема структуры типового ИТП на базе автоматических систем контроля и регулирования процессом отопления здания

Система ГВС здания с помощью подающего Т4 и обратного Т5 трубопроводов связана с центральным тепловым пунктом микрорайона.

УУТконтура отопления здания (см. рис. 2.2) содержит:

• • первый измерительный модуль (FE 1а и FY 16);
• • датчики температуры (ТЕ 1а и ТЕ 2а);
• • датчики давления (РЕ 1а и РЕ 2а).

Учитывая, что для подпиточного трубопровода ТЗ характерно другое значение диаметра проходного сечения и диапазон измеряемого расхода теплоносителя по отношению к основным трубопроводам системы теплоснабжения здания (Т1 и Т2, Т4 и Т5), то это позволяет применять более простой и дешевый датчик расхода, например, тахометрического типа вместо измерительного модуля АСД с электромагнитным преобразователем расхода. При этом датчик расхода с преобразователем (FE4 и FY4) подключен к первому измерительному модулю (FE 1а и FY 16) системы отопления.

Рис. 2.2. Блок-схема УУТ на базе теплосчетчика КМ-5М с использованием трех измерительных модулей и тахометрического датчика расхода

УУТконтура горячего водоснабжения (см. рис. 2.2) содержит:

• • второй и третий измерительные модули (FE 2а и FY 26, FE За и FY 36);
• • датчики температуры (ТЕ За и ТЕ 4а);
• • датчики давления (РЕ За и РЕ 4а), соответственно подключенные ко второму и третьему измерительным модулям (FE 2а и FY 26 и FE За и FY 36).

К вычислительному устройству (TIR1) теплосчетчика подключены три измерительных модуля АСД с электромагнитными датчиками расхода (FE) и преобразователями (FY). При этом на основе вычислительного устройства теплосчетчика КМ-5М определяется суммарная тепловая энергия Q с использованием двух виртуальных теплосчетчиков, один из них для 1-го теплового контура (Т1 и Т2) системы отопления на базе измерительного модуля (FE 1а и FY 16) с учетом контура подпитки и другой - для 2-го теплового контура (Т4 и Т5) системы ЕВС на основе измерительных модулей (FE 2а и FY 26, FE За и FY 36). При отключении отопления на летний период тепловая энергия Q учитывается только в циркуляционной системе ГВС здания.

В составе функциональной схемы САР отопления здания, показанной на рис. 2.3, применяется типовой контроллер ТК1 из класса специализированных контроллеров со встроенными функциями, например, типа ТРМ32 (для систем теплоснабжения).

Схема автоматической системы с учетом ТК1 содержит: задатчик ПЗ2 для программного задания температуры в обратном трубопроводе, исполнительный механизм ИМ, регулирующий орган РО, погружные датчики температуры ДТ1 и ДТ2, соответственно расположенные в подающем трубопроводе системы отопления и в обратном трубопроводе, связанном с теплосетями, а также датчик температуры наружного воздуха ДТЗ и ОУ1. Объектом управления является система отопления здания с учетом теплообменника.

Выходные величины ОУ 1 следующие:

• ТД?) - температура теплоносителя в подающем трубопроводе СО здания;

• T₂(t) - температура теплоносителя на выходе из

теплообменника, т.е. температура теплоносителя в обратном трубопроводе теплосетей.

Входные величины ОУ1 следующие:

• • Tin(t) - температура наружного воздуха;
• • G{t) - расход теплоносителя на входе теплообменника.

Рис. 2.3.Функциональная схема САР отопления здания на базе контроллера типа

ТРМ32

Датчики температуры ДТ1, ДТ2 и ДТЗ подключены к соответствующим аналоговым входам контроллера ТК1. При этом аналоговые сигналы в контроллере преобразуются в цифровые в блоке обработки данных. Функциональные элементы на рис. 2.3 соответствуют следующим элементам блок-схемы, показанной на рис. 2.1, а именно, ИМ соответствует М3, РО - К1, ДТ1 - ТЕ1, ДТ2 - ТЕ2, ДТЗ - ТЕЗ.

В схеме САР (рис. 2.3) применяются контур регулирования по возмущению с учетом датчика ДТЗ (по температуре наружного воздуха Г_1н) и два контура регулирования по отклонению с учетом датчиков ДТ1 (температуры теплоносителя Т₂ в системы отопления) и ДТ2 (температуры теплоносителя в обратном трубопроводе теплосетей Т₂).

Рассмотрим особенности функционирования САР, блок-схема которой показана на рис. 2.1, а функциональная схема - на рис. 2.3.

Первый контур регулирования по отклонению предназначен для управления температурой теплоносителя 7з(?) системы отопления путем изменения расхода теплоносителя G{t) через теплообменник системы отопления. Этот контур регулирования функционирует на базе одного из блоков ПИД-регулятора контроллера ТРМ32. Второй контур регулирования по отклонению предназначен для защиты системы теплоснабжения от превышения температуры теплоносителя 7г(0 путем введения коррекции на изменение расхода теплоносителя G{t) по первому контуру.

Первый контур регулирования системы работает следующим образом. Согласно выбранной конфигурации контроллера ТК1 (по «Входу 1» контроллера подключен датчик температуры наружного воздуха) с учетом отопительного графика Тъу =ДГ1н) и в зависимости от данных датчика температуры ДТЗ в блоке обработки данных определяется температура уставки 7з_у, т.е. формируется задание П31 для «ПИД-регулятора контура отопления» с целью поддержания требуемой температуры в подающем трубопроводе системы отопления здания.

При возникновении в САР отклонения Д,_ь как результата сравнения значений от задатчика ПЗ1 и данных от датчика температуры ДТ1, в контроллере ТК1 формируется управляющая команда с последующим учетом закона регулирования:

где ~ программное задание температуры в системе отопления,

т.е. уставка для регулятора (Г_3у), определяемая в блоке обработки данных; - данные от датчика температуры ДТ1.

В случае увеличения температуры в системе отопления здания относительно 7з_у «ПИД-регулятора контура отопления» контроллера ТК1 формирует управляющую команду, при которой исполнительный механизм перемещает шток регулирующего клапана таким образом, чтобы уменьшился расход теплоносителя от внешней теплосети через теплообменник и соответственно уменьшилась температура Г₃ в системе отопления, которая при этом должна стремиться к заданной. Перемещение штока регулирующего клапана происходит до тех пор пока отклонение A,i не станет равным нулю. При равенстве температуры в системе отопления заданной 7з_у, управляющая команда на выходе контроллера ТК1 будет отсутствовать.

В случае уменьшения температуры в СО здания относительно 7з_у по командам «ПИД-регулятора контура отопления» контроллера ТК1 исполнительный механизм с помощью регулирующего клапана, наоборот, увеличивает расход теплоносителя от внешней теплосети через теплообменник и при этом соответственно увеличивается температура в системе отопления, которая при этом также будет стремиться к 7з_у и т.д.

Следует отметить, что управление регулирующим клапаном с помощью исполнительного механизма осуществляется широтноимпульсным способом. Контроллер, после каждого циклического опроса датчика температуры ДТЗ (см. рис. 2.3), вычисляет новое текущее значение уставки для регулятора (Гз_у). Интервал времени At циклического опроса датчиков температуры называется шагом регулирования (в контроллере ТРМ32 она в пределах At = 6 с).

Для второго контура регулирования системы характерно следующее. Если в САР произойдет увеличение температуры Т₂ больше, чем максимально допустимое значения Т_2ум, которое определяется по графику обратной воды Т₂ум = АТ1н), тогда контроллер ТК1 переведет систему в режим защиты от этого превышения. В этом случае ТК1 прерывает регулирование температуры по заданию 7з_у в контуре отопления и переходит в режим снижения температуры Т₂ до значения, при котором Ту станет меньше чем Т_2ум с учетом некоторого значения А. После снижения температуры теплоносителя в обратном трубопроводе до заданной, контроллер ТК1 автоматически переходит в режим регулирования температуры в системе отопления здания.

Автоматическая система регулирования на базе контроллера ТРМ32 может функционировать в экономичном режиме и для этого в контроллере предусмотрена возможность переключения с дневного на ночной режим работы с пониженной температурой в системе отопления. Переключение контроллера ТРМ32 с одного режима на другой осуществляется через «Вход Д» с помощью таймера или другого устройства. При этом согласно заданию пользователя отопительный график Тг_у = /[Т_н) в блоке обработки данных контроллера ТК1 смещается и соответственно величина уставки 7з_у также пропорционально изменяется на заданную величину для ПИД- регулятора контура отопления с учетом данных датчика ДТЗ.

В САР на базе специализированных контроллеров для систем теплоснабжения зданий законы регулирования реализуются в цифровом виде. Управление регулирующим клапаном посредством исполнительного механизма осуществляется с помощью последовательности импульсов с их длительностью D и периодом следования импульсов t_KM. Для ПИД-регулятора контроллера ТРМ32 его выходной сигнал Y_t определяется следующим образом:

где Ej - отклонение регулируемой величины от заданной; ДEj = Е_{ - E_t. 1 , т.е. разность между измеренными отклонениями; At_k = fa - t_ki. разность по времени между измерениями; т_D - постоянная времени дифференцирования; хи - постоянная времени интегрирования; Х_р - полоса пропорциональности, причем Х_р = 1/(2,5 к_р) (к_р - коэффициент пропорциональности регулятора); п - количество шагов в цикле.

В общем виде для ПИД-регулятора контроллера ТРМ32 в уравнении (2.2) составляющие следующие:

• • первое слагаемое соответствует пропорциональному отклонению регулируемой величины от ее заданного значения;
• • второе слагаемое - интегралу от этого отклонения;
• • третье слагаемое - скорости изменения этого отклонения.

Учитывая, что датчик перемещения штока регулирующего клапана

в автоматических системах регулирования процессов теплоснабжения, например, на базе специализированных контроллеров для этих процессов может отсутствовать, поэтому контроллер вычисляет среднюю скорость перемещения штока клапана по следующей зависимости:

где v_s - средняя скорость перемещения штока клапана, т.е. фактически не учитывается третье слагаемое в уравнении (2.2).

Тогда, если v_s < 0, то контроллером формируется сигнал на закрытие регулирующего клапана, в противном случае (у, > 0) - тогда на открытие клапана. Длительность импульсов при этом определяется в виде:

При рассмотрении особенностей управления циркуляционными насосами Н1 и Н2 на базе электроприводов принимаем (см. рис. 2.1), что в САР в качестве контроллера ТК2 применяется логический контроллер типа САУ-МПХ.11 (отечественного производителя) или микропроцессорные блоки управления электроприводами насосов типа SK-702 или SK-712 (фирмы WILO). Рассмотрим особенности применения контроллера типа САУ-МП. Он содержит: входы для подключения датчиков, устройства сравнения, программируемую логическую матрицу для обработки данных, набор базовых элементов и на выходе электромагнитные реле, из них, два реле для управления электроприводами насосов и одно реле для коммутации в цепях сигнализации.

Контроллер ТК2 управляет включением электроприводов циркуляционных насосов Н1 и Н2 (основного или резервного), поочередно работающих в соответствии с заданной программой (в обозначениях САУ-МП указывается алгоритм его функционирования) в СО здания, причем с возможностью аварийной сигнализации при сбоях в работе каждого из насосов. Датчик давления РЕ1 контролирует давление в трубопроводе моноблока насосов и при отказе одного из них происходит автоматическое переключение на другой насос. При этом срабатывает аварийная сигнализация.

В случае применения, например, блока управления SK-702 (фирмы WILO) его функции следующие:

• переключение на резервный насос при аварии основного насоса; переключение насосов по времени для обеспечения их одинаковой наработки;

• • электронная защита насосов от превышения тока в электродвигателе (допустимое значение устанавливается в приборе);
• • защита насосов с использованием контактов WSK/SSM (при их наличии в электродвигателе); раздельная индикация неисправности;
• • дистанционное включение/отключение и защита от «сухого» хода;
• • обобщенная сигнализация неисправности/работы.

Функция SK-702 в виде защиты от «сухого» хода осуществляется при использовании датчика давления РЕ1, измеряющего статическое давление в трубопроводе. При отсутствии давления электропривод насоса не включится.

При утечках теплоносителя в СО здания срабатывает датчик-реле давления РЕ2, установленный в обратном трубопроводе системы отопления, который своими контактами осуществляет коммутацию в цепи питания электромагнитного привода УА1 (см. рис. 2.1). При этом соответственно срабатывает клапан К2 и теплоноситель через подпиточный трубопровод ТЗ поступает из обратного трубопровода Т2 в СО здания для обеспечения нормальной работы моноблока циркуляционных насосов. После устранения утечек теплоносителя в системе отопления контур подпитки автоматически отключается, т.е. после восстановления давления в СО здания.

Основные особенности САР отопления здания на базе контроллера ТРМ32 следующие:

• • в системе отсутствует контур регулирования по температуре внутреннего воздуха в здании;
• • управление температурой теплоносителя может осуществляться на основе блока ПИ-регулятора этого контроллера (это позволяет функционировать САР без статической ошибки);
• • предусмотрена защита системы теплоснабжения от превышения температуры теплоносителя в обратном трубопроводе теплосетей ИТП.

Стабилизация гидравлического режима в тепловых сетях здания обеспечивается регулятором (РПД) перепада давления (регулятор перепада давления прямого действия РС1 с клапаном КЗ и узлом регулирования, см. рис. 2.1).