Автоматизация является одним из важнейших факторов эффективности функционирования любого промышленного или бытового объекта. Основная задача, которую решает система вентиляции, – обеспечение максимально комфортного воздушного пространства в помещении [1]. Широкое применение систем приточно-вытяжной вентиляции в производственных [2–4] и жилых зданиях [5, 6] обусловлено следующими причинами: развитие новых производств электронной, электротехнической, машиностроительной, химической, текстильной и других отраслей промышленности, нуждающихся в поддержании определенных и постоянных параметров состояния воздуха; возрастающие требования к условиям труда и повышению производительности в горячих и мокрых цехах, угольных шахтах, рудниках и пр.; оснащение предприятий промышленности, связи, конструкторских и научно-исследовательских организаций приборами, точная и безотказная работа которых возможна только при определенных температуре и относительной влажности воздуха; увеличение количества закрытых помещений для длительного пребывания больших количеств людей (театры, кинотеатры, концертные залы, стадионы, рестораны, вокзалы и т.д.). Системы вентиляции в большинстве случаев представляют собой сложные системы инженерного оборудования для обеспечения эффективного воздухообмена. Ручное управление в этом случае нерационально, так как постоянно меняются показатели воздуха в зависимости от времени года, климатических условий, изменяется количество удаляемого и поступающего воздуха.
Разработка автоматизированной системы управления вентиляцией не только промышленных объектов [7, 8], но и большинства жилых, общественно-бытовых зданий [9, 10] является актуальной задачей. Внедрение систем автоматического управления позволяет: поддерживать оптимальную температуру воздуха и прочие показатели, влияющие на жизнедеятельность и работоспособность человека; регулировать интенсивность работы вентиляторов, расположенных в приточном и вытяжном воздуховодах; своевременно предотвращать замерзание водяного калорифера и др. Важным преимуществом внедрения системы автоматизации вентиляции можно назвать то, что автоматизация повышает уровень безопасности объекта. Например, при срабатывании пожарной сигнализации может быть предусмотрено отключение устройств, работающих на приток, что способствует сдерживанию распространения пламени и его максимально скорой локализации. Внедрение системы автоматизации позволяет исключить работу системы вентиляции в критических режимах, при высоких или низких температурах, которые способствуют выходу из строя оборудования системы вентиляции, что приводит к необходимости его замены или дорогостоящего ремонта. Внедрение системы автоматизации вентиляции объекта снижает потребление электроэнергии в среднем на 20% [11].
Материалы и методы исследования
Объектом автоматизации является система приточно-вытяжной вентиляции [12]. Приточно-вытяжная вентиляция одновременно позволяет обеспечить приток свежего воздуха в обслуживаемое помещение и удалить отработанный воздух из него. Рассматриваемые системы вентиляции рекомендованы к использованию в бытовых и коммерческих помещениях площадью более 100 м2. Схема приточно-вытяжной вентиляции представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема приточно-вытяжной вентиляции
1 – воздушные фильтры для очистки приточного и вытяжного воздуха; 2 – калорифер (или воздухонагреватель) для прогрева приточного воздуха в зимний период (теплоноситель – горячая вода); 3 – воздушные вентиляторы для подачи приточного воздуха в обслуживаемое помещение и вывода отработанного воздуха из него; 4 – водяной насос для циркуляции горячей воды через калорифер; 5 – заслонки на воздуховодах приточного и вытяжного воздуха; 6 – трехходовой клапан на трубопроводе горячей воды
Рассмотрим принцип работы системы приточно-вытяжной вентиляции. Уличный воздух с температурой от -30 до +30 °С в зависимости от сезона попадает в приточный воздуховод через открытую заслонку за счет работы воздушного вентилятора. Воздух фильтруется и подогревается в водяном калорифере до нужной температуры, которая зависит от заданной температуры в обслуживаемом помещении. Подогрев в водяном калорифере осуществляется, как правило, в зимний период, поскольку необходимо прогреть обслуживаемое помещение в среднем до температуры 25 °С. В летний период калорифер отключен, так как подогрев воздуха не нужен. Горячая вода поступает в калорифер из системы водоснабжения через трехходовой клапан и циркулирует за счет работы водяного насоса. Если калорифер перегревается, то трехходовой клапан переключается на циркуляцию воды в замкнутом контуре, т.е. приток свежей воды прекращается. Нагретый воздух поступает в обслуживаемое помещение и нагревает его до заданной температуры. С помощью воздушного вентилятора в вытяжном воздуховоде отработанный воздух через открытую заслонку удаляется в атмосферу. Таким образом, осуществляется вентиляция помещения. Отработанный воздух также фильтруется, чтобы ограничить выбросы пыли в атмосферу.
В системе должна быть предусмотрена защита калорифера от замерзания в холодный период года. Она осуществляется блокированием работы воздушного вентилятора в приточном воздуховоде и закрытием заслонки, которая ограничивает поступление уличного воздуха в систему. Блокировка производится при падении температуры на водяном калорифере ниже допустимой. В системе должна быть предусмотрена проверка засора воздушных фильтров пылью и мусором. При засоре фильтра в приточном или вытяжном воздуховоде необходимо блокировать работу соответствующего воздушного вентилятора с целью защиты от перегрева и выхода из строя электродвигателя привода вентилятора. Факт засора воздушного фильтра определяется по перепаду давления до и после фильтра. Обычно перепад давления на воздушном фильтре не должен превышать 300 Па.
В приводе воздушных вентиляторов используются асинхронные электродвигатели Vilmann Z 100L2-4. Общие характеристики электродвигателей Vilmann Z 100L2-4: степень защиты – IP55; категория изоляции – F; максимальная температура воздуха 40 °C.
В составе системы приточно-вытяжной вентиляции используются вентиляторы WRW 70-40/35-4D. Технические характеристики вентиляторов: воздухообмен – 5787 м3/ч; габариты – 780×481×740 мм; давление – 776,7 Па; класс защиты – IP 54.
Условия эксплуатации приборов и средств автоматизации: напряжение питающей электросети 220 В, частота сети 50 Гц; отклонения напряжения от +5 до -5 %; температура воздуха окружающей среды от +10 до +30 °С; влажность воздуха не более 70 %; температура воды в системе не выше 80 °С.
В соответствии с СП 12.13130.2009 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности» помещение относится к категории Д – пониженная пожароопасность (негорючие вещества и материалы в холодном состоянии).
Перечень первичных и нормирующих преобразователей с указанием основных технических и эксплуатационных характеристик приведен в табл. 1. Исполнительные устройства и их характеристики указаны в табл. 2.
Таблица 1
Перечень первичных и нормирующих преобразователей, их характеристики
|
№ |
Наименование, тип, модель |
Диапазон измерения |
Допустимые условия эксплуатации |
Выходной сигнал |
|
1 |
Канальный датчик температуры воздуха QAM (Siemens) |
-50..+80 °С |
-40..+70 °C, 5..95 % относительной влажности |
Pt100 |
|
2 |
Канальный датчик температуры воздуха QAM (Siemens) |
-50..+50 °С |
-40..+70 °C, 5..95 % относительной влажности |
4..20 мА |
|
3 |
Накладной датчик температуры QAD (Siemens) |
-30..+130 °С |
-40..+70 °C, 5..95 % относительной влажности |
Pt1000 |
|
4 |
Преобразователь дифференциального давления DMU/A |
0..500 Па |
0..+50 °C, 0..98 % относительной влажности |
4..20 мА |
Таблица 2
Исполнительные устройства и их характеристики
|
№ |
Наименование, тип и модель |
Допустимые условия эксплуатации |
Входной сигнал |
Сигнал состояния |
|
1 |
Преобразователь частоты ATV310 |
Температура эксплуатации -10..+55 °C |
4..20 мА |
дискретный |
|
2 |
Прямоугольная воздушная заслонка АЗД-190 с электроприводом BELIMO EF230A |
Температура окружающей среды -30..+50 °С |
дискретный |
дискретный |
|
3 |
Трехходовой клапан с электроприводом серии AL |
Температура среды 1..110 °С |
дискретный |
дискретный |
Для управления системой приточно-вытяжной вентиляции используется контроллер ОВЕН ПЛК73-ККККРРИИ. Дополнительно использован модуль дискретного вывода МУ110-224.16Р. Для визуализации работы системы приточно-вытяжной вентиляции использована панель оператора СП307-Б.
Таким образом, автоматизированная система управления приточно-вытяжной вентиляцией включает в себя:
− сенсорный уровень: датчики температуры, перепада давления, частотный преобразователь, электродвигатели, пусковая аппаратура, воздушные заслонки с электроприводом, трехходовой клапан с электроприводом;
− контроллерный уровень: ОВЕН ПЛК73, модуль вывода дискретных сигналов МУ110;
− диспетчерский уровень: сенсорная панель оператора СП307.
Для связи оборудования сенсорного и контроллерного уровней используются стандартные подключения средств автоматизации, в том числе интерфейс «токовая петля». Для связи оборудования контроллерного уровня (ПЛК73, МУ110) применяется цифровой интерфейс RS-485. Для связи оборудования контроллерного и диспетчерского уровней (ПЛК73 и СП307) используется цифровой интерфейс RS-232. Для организации сетевой структуры коммуникационное оборудование не требуется.
Алгоритмическое обеспечение системы автоматизации приточно-вытяжной вентиляции включает в себя алгоритмы формирования сигналов: в системе автоматического регулирования температуры воздуха в помещении; в системах автоматической сигнализации о выходе значений технологических параметров за допустимые пределы; в системах автоматической защиты оборудования системы вентиляции.
В качестве примера рассмотрен алгоритм формирования сигналов в системе автоматической защиты водяного калорифера от замерзания и выхода из строя вентилятора приточного воздуховода при загрязнении соответствующего воздушного фильтра посредством останова электродвигателя М1 вентилятора приточного воздуховода. Блок-схема алгоритма представлена на рис. 2, а. Окно программной реализации алгоритма системы автоматической защиты в среде CoDeSys на языке диаграмм лестничной логики (LD) представлено на рис. 2, б. В программе использованы стандартные функции: блоки сравнения: GT – «Больше», LT – «Меньше»; нормально-открытые контакты; сбрасывающая обмотка. В программе приняты переменные: внешние, поступающие от средств измерения: dP – перепад давления на воздушном фильтре, Т – температура воздуха вокруг калорифера; внешние, поступающие от оператора: dPmax – верхнее предельное значение перепада давления на воздушном фильтре, Tmin – нижнее предельное значение температуры вокруг калорифера; внешние, поступающие в схему управления электродвигателем: М1; внутренние для передачи сигналов между цепями программы: C1, C2.
Рассчитаны основные экономические характеристики: затраты на приобретение приборов и средств автоматизации разрабатываемой системы, капитальные вложения, условно-годовая экономия, экономический эффект и срок окупаемости. Проведенные расчеты показали, что внедрение системы автоматизации приточно-вытяжной вентиляции оправдано и принесет годовой экономический эффект в размере 120 тыс. руб. При этом срок окупаемости капитальных вложений на автоматизацию системы вентиляции составит 1,15 года, что отвечает нормативным требованиям.
а б
Рис. 2. Блок-схема алгоритма системы автоматической защиты (а) и его программная реализация в среде CoDeSys (б)
Заключение
Объектом автоматизации является система приточно-вытяжной вентиляции. Выбраны технические средства системы автоматизации, отвечающие условиям эксплуатации объекта автоматизации. Решены задачи разработки алгоритмического и программного обеспечения системы автоматизации. Разработана блок-схема алгоритма формирования сигналов в системе автоматической защиты водяного калорифера от замерзания и выхода из строя вентилятора приточного воздуховода при загрязнении соответствующего воздушного фильтра посредством останова электродвигателя вентилятора приточного воздуховода. Выполнена программная реализация алгоритма в среде CoDeSys. Рассчитаны основные затраты на создание и эксплуатацию автоматизированной системы управления приточно-вытяжной вентиляцией, экономический эффект и срок окупаемости. Внедрение автоматизированной системы управления экономически оправдано и целесообразно.