Автоматизация

Вступ

   Дана курсова робота має на меті забезпечити автоматизацію, контроль та управління об’єкту на прикладі комплексної автономної системи опалення та гарячого водопостачання примісткого будинку.

   Забезпечення  опалення будинку та ГВП відбувається за рахунок теплового насосу типу повітря-вода.

   Благодаря внедрению автоматизизации повысится надежность работы систем отопления и ГВС в соответствии с санитарными нормами и СНиП. Улучшилось качество теплоснабжения здания в целом.

   В результате внедрения:

F снизится потребление теплоносителя;

F позволит получить дополнительную экономию тепловой энергии за счет снижения температуры теплоносителя в ночное время, в выходные и праздничные дни;

F использование различных расписаний и режимов работы системы отопления потребителя позволит обеспечить комфортные температурные условия и дополнительную экономию тепловой энергии, за счет поддержания температуры теплоносителя в подающем трубопроводе в соответствии с температурой наружного воздуха, что в свою очередь позволяет исключить «перегрев» потребителя тепловой энергии;

F при значительных колебаниях температуры наружного воздуха эксплуатация системы позволит осуществить 100% глубину регулирования теплопотребления. 
 

Представим автономную комбинированную систему отопления  и ГВС в виде “черного ящика”

t_в, °С

t_ГВС, °С

t_от, °С

Р_вых, Па 

Р_вх, Па 

H_в, л/с 

G_в, кг/с 

Перейдем к  рассмотрению “серого ящика”

t_в, °С

t_ГВС, °С

t_от, °С

Р_вых, Па 

d, мм 

H_в, л/с 

V, м/с 

Следующий этап – “белый ящик”

   Обьект данной работы должнен отвечать нормам и правилам предусмотренными в СНиП 2.04.07-86 (2000)  “АВТОМАТИЗАЦИЯ И КОНТРОЛЬ”, которые приведены ниже 

1. В тепловых системах следует предусматривать автоматические регуляторы и блокировки, обеспечивающие:

    F заданное давление воды в подающем или обратном трубопроводах водяных тепловых систем с поддержанием в подающем трубопроводе постоянного давления “после себя” и в обратном — “до себя” (регулятор подпора);

    Fделение (рассечку) водяной систему на гидравлически независимые зоны при повышении давления воды сверх допустимого;

    Fвключение подпиточных устройств в узлах рассечки для поддержания статического давления воды в отключенной зоне на заданном уровне;

    Fотборные устройства с необходимой запорной арматурой для измерения;

    Fтемпературы воды в подающих (выборочно) и обратных трубопроводах перед секционирующими задвижками и, как правило, в обратном трубопроводе ответвлений Dу ³ 300 мм перед задвижкой по ходу воды;

    Fдавления воды в подающих и обратных трубопроводах до и после секционирующих задвижек и регулирующих устройств, и, как правило, в подающих и обратных трубопроводах ответвлений Dу ³ 300 мм перед задвижкой;

    Fрасхода воды в подающих и обратных трубопроводах ответвлений Dу ³ 400 мм; 

2. Следует предусматривать местные показывающие контрольно-измерительные приборы для измерения температуры и давления в трубопроводах. 

3. Автоматизация подкачивающих насосных на подающих и обратных трубопроводах водяных тепловых систем должна обеспечивать:

    Fпостоянное заданное давление в подающем или обратном трубопроводах насосной при любых режимах работы;

    Fвключение резервного насоса, установленного на обратном трубопроводе, при повышении давления сверх допустимого во всасывающем трубопроводе насосной или установленного на подающем трубопроводе — при снижении давления в напорном трубопроводе насосной;

    Fавтоматическое включение резервного насоса (АВР) при отключении работающего или падении давления в напорном патрубке. 

4. Дренажные насосы должны обеспечивать автоматическую откачку дренажей. 

5. Автоматизация смесительных насосных должна обеспечивать постоянство заданной температуры смешения и защиту тепловых сетей после смесительных насосов от повышения температуры воды против заданной при остановке насосов.

6. Насосные должны быть оснащены комплектом показывающих и регистрирующих приборов (включая измерение расходов воды), устанавливаемых по месту или на щите управления, сигнализацией состояния и неисправности оборудования на щите управления.

7. Баки-аккумуляторы (включая насосы для зарядки и разрядки баков) горячего водоснабжения должны быть оборудованы:

    F контрольно-измерительными приборами для измерения:

      G уровня — регистрирующий прибор;

G давления на всех подводящих и отводящих трубопроводах — показывающий прибор;

G температуры воды в баке— показывающий прибор;

F блокировками, обеспечивающими:

G полное прекращение подачи воды в бак при достижении верхнего предельного уровня заполнения бака;

G прекращение разбора воды при достижении нижнего уровня (отключение разрядных насосов);

F сигнализацией:

G верхнего предельного уровня (начало перелива в переливную трубу);

G отключения насосов разрядки. 

8. При установке баков-аккумуляторов на объектах, работающих без постоянного обслуживающего персонала, сигнал неисправности выносится на диспетчерский пункт. По месту фиксируется причина вызова обслуживающего персонала. 

9. Тепловые пункты следует оснащать средствами автоматизации, приборами теплотехнического контроля, учета и регулирования, которые устанавливаются по месту или на щите управления. 

10. Автоматизация тепловых пунктов должна обеспечивать:

F регулирование расхода теплоты в системе отопления и ограничение максимального расхода сетевой воды у потребителя;

F заданную температуру воды в системе горячего водоснабжения;

F поддержание статического давления в системах потребления теплоты при их независимом присоединении;

F заданное давление в обратном трубопроводе или требуемый перепад давлений воды в подающем и обратном трубопроводах тепловых сетей;

F защиту систем потребления теплоты от повышенного давления или температуры воды в случае возникновения опасности превышения допустимых предельных параметров;

F включение резервного насоса при отключении рабочего;

F прекращение подачи воды в бак-аккумулятор при достижении верхнего уровня воды в баке и разбора воды из бака при достижении нижнего уровня;

F защиту системы отопления от опорожнения. 
 
 

    В соответствии со СНиПами, вне зависимости от условий, перед отопительными приборами системы отопления в жилом здании устанавливаются автоматические радиаторные терморегуляторы. Терморегуляторы позволяют поддерживать в отапливаемом помещении постоянную температуру воздуха (комфортную или заданную).

    Терморегуляторы системы отопления состоят из двух частей — регулирующего клапана  и привода прямого действия или  термоэлектрического.

Регулирующий  клапан устанавливается на подводящем трубопроводе, к отопительному прибору системы отопления. Регулирующий клапан регулирует количество теплоносителя, проходящего через прибор системы отопления, под воздействием установленного на нем привода , который получает сигнал о необходимости изменения температуры воздуха в помещении от управляющего устройства системы отопления.

    Привод  прямого действия (термоэлемент) сам реагирует на отклонение температуры воздуха от заданного значения и перемещает шток клапана терморегулятора без использования посторонней энергии.

    Наиболее  совершенными терморегуляторами являются газонаполненные термоэлементы. Они имеют малую инерционность и поддерживают температуру в помещении, тем самым способствуют экономному расходу теплоты системы отопления. Свойства газового заполнения терморегуляторами не меняются, и такие термоэлементы функционируют продолжительное время около 25 лет. Единственным в мире производителем таких радиаторных терморегуляторов - является фирма «Данфосс» 

Для выполнения задачи отопления и ГВС данного загородного дома мной было предложено использование теплового насоса компании Carrier, полное описание которого приведено ниже.

Тепловой насос воздух-вода со встроенным

гидравлическим модулем AQUАSNAP 30RH 040-240 “B”

Номинальная холодопроизводительность 38-210 кВт

Номинальная теплопроизводительность 39-229 кВт 

Тепловые  насосы 30RH Aquasnap характеризируються использованием новейших технологических разработок: экологичного холодильного агента HFC-407C, улиточных компрессоров, малошумящих вентиляторов, изготовленных из композиционного материала, и микропроцессорного управления. Контур циркуляции холодильного агента с запатентованным ресивером/теплообменником и автоадаптивной системой управления Pro-Dialog гарантируют безотказную и экономичную работу в любих климатических условиях при температурах от -10 0С до 45 0С. Во всех выпускаемых тепловых насосах Aquasnap содержится полностью укомплектованный гидравлический модуль, упрощающий выполнение таких операций, как подключение электропитания, системы водоснабжения и обратных трубопроводов. 

Особенности

    F Во встроенном гидравлическом модуле, обеспечивающем ускоренный монтаж агрегата, имеются все необходимые гидравлические компоненты: съемный сетчатый фильтр, водяной насос высокого давления, расширительный бак, реле расхода воды, предохранительный клапан, манометры и продувочный вентиль. Дроссельный вентиль позволяет регулировать расход воды в соответствии с характеристиками установки. Все компоненты защищены от замерзания до температуры -20 0С.

    F Водяной контур небольшого объема: автоадаптивный алгоритм регулирует температуру воды и полностью исключает опасность чрезмерно частого пуска компрессора. Для большинства установок комфортного кондиционирования необходим буферный (промежуточный) бак. За счет небольшого объема воды снижается расход электроэнергии при переключении с нагревания на охлаждение во время переходных сезонов.

    F Экологичный холодильный агент HFC-407C: никакого вредного воздействия на озонный слой, используется вместо R22 в кондиционерах малой и средней производительности. Результаты всесторонних испытаний, проводившихся компанией Carrier в течение нескольких лет, показали, что этот холодильный агент обеспечивает такие же рабочие характеристики и надежность, что и холодильный агент R22.

    F Ресивер/теплообменник (патент принадлежит компании Carrier) улучшает надежность и рабочие характеристики теплового насоса 30RH. В режиме нагревания происходит конденсация холодильного агента в ресивере на выходе пластинчатого теплообменника. Это устройство компенсирует значительные отличия в объемах между змеевиком и водяным теплообменником (пластинчатым теплообменником). Оно обеспечивает идеальное количество холодильного агента в системе в режимах нагревания и охлаждения и прекрасное регулирование переохлаждения и перегрева. Срок службы компрессора увеличивается (отсутствует опасность миграции холодильного агента в компрессор), а использование теплообменников оказывается максимальным.

    F Созданный на основе последних технологических достижений малошумящий двухскоростной вентилятор типа Flting Bird II изготавливается из композиционного повторно используемого материала и имеет многолопастную конструкцию и вращающийся кожух, причем эта идея позаимствована у авиастроения. Такой вентилятор работает практически бесшумно и не создает низкочастотного шума, раздражающе действующего на человеческое ухо. При частичной нагрузке или низких температурах наружного воздуха вентилятор автоматически переключается на низкую скорость. Для того чтобы еще больше снизить урівень рабочего шума, вентилятор крепится не к верхней панели агрегата, а к очень жесткому шасси башенной конструкции.

    F Автоадаптивный алгоритм оптимизирует цикл размораживания. Благодаря этому, а также новой конструкции змеевика длительность цикла размораживания уменьшается в среднем на 50%. Для повышения надежности электрический подогреватель предотвращает накопление льда на основании воздушного теплообменника.

    F Бесшумные и не создающие вибраций улиточные компрессоры имеют большой срок службы и не нуждаются в техническом обслуживании. За счет использования нескольких компрессоров на один контур (начиная с типоразмера 30RH 050) уменьшается пусковой ток и потребление электроэнергии при частичной нагрузке.

    F Гарантируется полная герметичность контура циркуляции холодильного агента в течение всего срока службы. Все трубопроводы и компоненты контура сварной конструкции. Вместо реле давления с их капиллярными трубками, которые в прошлом были основной причиной утечек, используются датчики давления, устанавливаемые прямо на трубопроводах.

    F Начиная с типоразмера 30RH 090, наличие двух независимых контуров циркуляции холодильного агента обеспечивает частичную производительность в режимах охлаждения/нагревания на всех возможных

эксплуатационных  режимах.

    F Конструкция электрических соединений упрощена, и стандартное оборудование Aquasnap содержит главный разъединитель с обеспечением электропитания всего агрегата трехфазным напряжением без нейтрали через единственную точку подачи каждой фазы.

    F Большие съемные панели и навесная дверка блока управления обеспечивают прекрасный доступ ко всем компонентам. Кроме того, предусмотрены отверстия, которые позволяют производить регулировки без прерывания работы агрегата. Верхняя панель агрегата легко снимается, что позволяет удобно выполнять наиболее важные операции по техническому обслуживанию, причем при выполнении работ вентилятор остается на месте.

    F Модуль управления электрическими резистивними подогревателями (аксессуар) позволяет осуществлять управление работой до четырех ступеней электрического подогрева, используемого в качестве дополнительного источника тепла при низких температурах наружного воздуха.

    F Испаритель представляет собой пластинчатый теплообменник сварной конструкции из нержавеющей стали, максимально улучшающий термодинамические свойства холодильного агента HFC-407C и обладающий значительно улучшенными рабочими характеристиками. Он также обеспечивает низкие падения давления воды. Начиная с типоразмера 30RH 090, агрегаты оборудованы двухконтурным сплетенным теплообменником для обеспечения надежной работы при частичной нагрузке. Когда агрегат не работает, защита теплообменника от замерзания осуществляется сетевым электронагревателем. 

Система управления PRO-DIALOG Plus

PRO-DIALOG Plus представляет собой современную цифровую систему управления, которая совмещает в себе сложную развитую логику с эксплуатационной простотой. Система PRO-DIALOG Plus осуществляет непрерывный мониторинг всех параметров, оптимизацию работы компрессоров, вентиляторов, циклореверсирующего вентиля и водяного насоса. 

Рис.1 Интерфейс оператора системы управления PRO-DIALOG Plus 

Система управления с высоким  уровнем автоматизации

    F Система управления PRO-DIALOG Plus является автоадаптивной и гарантирует полную защиту компрессоров. Система ведет непрерывный контроль рабочих параметров и выдает управляющие сигналы для избежания чрезмерного частого пуска и для поддержания идеального диапазона работы компрессоров (по температуре, давлению и т.д.). За счет осуществления корректирующего действия до возникновения ошибки автоадаптивная система управления часто предотвращает остановку теплового насоса по дефекту.

    F Для оптимизации потребления электроэнергии система PRO-DIALOG Plus автоматически производит перенастройку уставки температуры охлажденной воды в соответствии с температурой наружного воздуха или температурой оборотной воды или использует вторую уставку (пример: занятость/незанятость) и обеспечивает автоматическое переключение нагревания/охлаждения.

    F Система также управляет включением реле бойлера или управляет работой дополнительного электрического подогревателя (аксессуар). 

Простота  и легкость в эксплуатации системы управления

    F Интерфейс оператора понятен и удобен для пользователя: светодиоды и два цифровых дисплея обеспечивают оперативный контроль всех рабочих даннях агрегата.

    F С помощью кнопок, удобно расположенных в виде мнемонической схемы теплового насоса, немедленно отображаются рабочие параметры: температуры, давления, уставка, время работы и т.д.

    F Меню обеспечивает прямой доступ ко всем средствам управления агрегатом, включая предысторию возможных неисправностей, для проведения быстрой и полной диагностики теплового насоса. 

Возможности дистанционной связи

    F Система PRO-DIALOG Plus позволяет осуществлять дистанционное управление. С помощью контактов без напряжения осуществляется управление пуском/остановкой, выбор режима охлаждения/нагревания, регулирование предела ограничения потребляемой мощности или выбор второй уставки. В системе предусмотрена возможность дистанционной сигнализации любой возможной аномалии каждого контура циркуляции холодильного агента.

    F Внутренние часы позволяют осуществлять программирование:

      G пуска/остановки теплового насоса;

      G работы по второй уставке (например, незанятость помещения);

G работы теплового насоса при низкой скорости вентилятора

с целью  снижения уровня шума.

    F Управление работой двух тепловых насосов в режиме ведущий/ведомый с уравниванием наработки каждого из них.

    F Последовательный порт RS 485 для дистанционного управления тепловым насосом через коммуникационную шину. 

Рассмотрим Систему управления Pro-Dialog Plus компании Carrier более детально.

Регулирование

    F Пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование температуры поступающей и выходящей воды с уравниванием времени наработки компрессоров. Система управления непрерывно регулирует цикличность работы системы и предотвращает чрезмерно частый пуск компрессоров. Тепловой насос может надежно работать при низком объеме воды в системе, что часто исключает необходимость использования промежуточного (буферного) бака.

    F Регулирование напора с помощью автоадаптивного алгоритма (скорость вентилятора).

    F Регулирование водяного насоса (по спеціальному заказу устанавливается сдвоенный насос с автоматическим переключением).

    F Управление циклом размораживания с автоадаптацией параметров.

    F Регулирование второй уставки (пример: незанятость помещения).

    F Перенастройка уставки по температуре воздуха или разности между температурами поступающей и выходящей воды.

    F Автоматическое переключение нагревания/охлаждения по температуре наружного воздуха с регулируемой зоной нечувствительности.

    F Устанавливаемый по специальному заказу управляючий модуль с реле управления дополнительными электрическими резистивными подогревателями. Максимально – четырехступенчатый подогрев с пуском последней ступени в случае остановки теплового насоса из- за неисправности. 

Надежность

    F Система контролирует изменение параметров (температуры, давления и т.д.) и реагирует на эти изменения таким образом, чтобы обеспечить работу компрессоров в рабочем диапазоне. В случае выхода одного из указанных параметров за заданные пределы формируется предупреждающее сообщение или осуществляется остановка агрегата. Выключение контура циркуляции холодильного агента или агрегата возможно при возникновении следующих неисправностей:

    G Низкое давление всасывания

    G Высокое давление нагнетания

    G Низкая температура всасывания

    G Низкая температура поступающей воды в режиме       нагревания

    G Перегрузка компрессора, водяного насоса

    G Вращение компрессора в противоположную сторону

    G Отказ датчика температуры или датчика давления

    G Отказ платы и потеря связи

    G Срабатывание устройства безопасности потребителя

    G Отказ защиты теплообменника от замерзания

    G Более 50 предупреждений или кодов о возникновении неисправностей. 

Интерфейс оператора

    F Интерфейс оператора содержит: светодиоды сигнализации состояния или неисправности, два цифрових дисплея, мнемоническую схему системы циркуляции холодильного агента и клавиатуру для подачи команд.

    F Немедленное отображение следующих параметров: температуры поступающей и выходящей воды, а также окружающего воздуха, давления и температуры на входе и выходе компрессоров, уставка, рабочие температуры и

количество  пусков компрессора.