Ключевые слова: моделирование, ПЛК, разработка программного обеспечения.
Авторы:
Олейников В.С.- старший преподаватель высшей школы киберфизических систем и управления.
Пересвет В.А., Курочкина В.С., Бурячек И.Ю. - студенты.
Ежегодно стоимость энергоносителей возрастает, при этом приобретают особую важность проблемы снижения коммунальных расходов и экономии энергии. Расходы на отопление зданий, как правило, составляют основную долю в общем балансе коммунальных расходов. В связи с чем приобретает актуальность задача реконструкции и автоматизации систем теплоснабжения зданий, позволяющая улучшить их функционирование, повысить эффективность, снизить потребление тепловой энергии без потери комфорта. Основываясь на [1], можно говорить, что внедрение автоматизированных систем управления теплоснабжением в индивидуальные отопительные пункты (ИТП) позволяет достичь 20%-й экономии в зимний период, а в переходные сезоны (осень, весна) данный показатель возрастает до 30-40% и более.
Для разработки эффективного алгоритма погодного регулирования необходимо выбрать технологический объект. Рассмотрим индивидуальный тепловой пункт с водоструйным элеваторным узлом (см. рис. 1). Недостатком приведенной схемы является прямая зависимость потока циркуляции теплоносителя в системе отопления от расхода первичного теплоносителя через сопло элеватора, что не позволяет регулировать коэффициент смешения элеватора. Чтобы этого избежать, необходимо обеспечить постоянный поток циркуляции теплоносителя в системе отопления здания G0 путём установки насосного узла на обратном трубопроводе контура системы отопления здания [2]. В данном случае используем упрощенную схему ИТП без насосного узла для облегчения разработки модели системы управления.
Математическая модель ИТП разделяется на две части: модель водоструйного элеватора и объекта управления – отапливаемое здание. Объект управления учитывается в обобщённой форме и представляется в виде апериодического звена второго порядка [3]
(см. рис. 2).
Для создания модели необходимо рассчитать u – коэффициент смешения (инжекции) и коэффициент преобразования k.
Коэффициент смешения зависит только от геометрических параметров водоструйного элеваторного узла и равняется 2,1 при максимальном открытии клапана элеватора, в общем же случае он равен отношению расхода теплоносителя через перемычку G3 на расход теплоносителя в подающем трубопроводе на вводе G1:
В свою очередь G3 определяется разностью расхода в системе отопления здания G0, являющегося константой, и расхода G1. Соответственно, это позволяет получить зависимость расходов от G1. Пусть G1 = x, тогда:
Таким образом, можно сделать вывод, что коэффициент смешения меняется от 2,1, что соответствует полностью открытом клапану, до бесконечности, соответствующей закрытому состоянию.
Расходная характеристика клапана не всегда является линейной, также она может быть равнопроцентной (логарифмической) или параболической. Данный параметр зависит от свойств конкретного клапана. В рамках данной работы на основе реального объекта будем рассматривать двухходовой клапан с логарифмической расходной характеристикой, максимальный расход которого равен 5 т/ч. Зависимость расхода через клапан от открытия затвора представлена на рисунке 3.
Коэффициент преобразования k зависит от разновидности системы отопления, свойств конструкций, окружающих здание, а также от внешней температуры воздуха. При этом k вычисляется следующим образом:
Поэтому наиболее удобно вычислять коэффициент преобразования на основе реальных данных. Данные взяты за период с 01.11.2019 0:00 по 31.12.2019 23:48 с промежутком записи, равным 4 минутам. Минимальная температура окружающей среды равна -6,6°С, а максимальная – 10,2°С. На основе имеющийся информации была построена зависимость коэффициента k от уличной температуры, проведена аппроксимация и получены следующие регрессии: линейная, квадратичная, кубическая, показательная и экспоненциальная. По полученным данным была выбрана квадратичная регрессия k=0,0004t^2+0,0011t+0,8533, имеющая минимальную ошибку, равную 0,7012%, а коэффициент детерминации – 0,7385 (см. рис. 4).
В статье [4] рассматривалась реализация математической модели в программе CoDeSys 3.5. По имеющимся данным можно модернизировать модель, а также написать программу управления. Программная модель и программа управления предназначены для загрузки в отдельные ПЛК для дальнейшей отладки программы управления и исследования алгоритмов управления. ПЛК, соединенные между собой физическими сигналами (см. ), входят в состав мобильного стенда изучения принципов промышленной автоматизации и моделирования технологических процессов, разрабатываемого в рамках программы 5-100 как проект-победитель грантового конкурса СПбПУ «Polytech Project».
В функциональном блоке K_Counter_0 в программе модели по полученной формуле высчитывается коэффициент k в зависимости от температуры окружающей среды (см. рис. 6).
Далее от программы управления в блок VALVE_0 посылаются сигналы управления OPEN_in – открыть и CLOSE_in – закрыть, задаётся расход теплоносителя в трубопроводе на вводе и текущий процент открытия затвора. По вышеописанному способу вычисляется коэффициент смешения и, при необходимости, переопределяется процент открытия задвижки (см. рис. 7).
Программа управления регулирует открытие и закрытие двухходового клапана в зависимости от температуры в помещении. Уличная температура в модели изменяется от -5 °С до 5 °С. Уставка температуры помещения Тп равна 20 °С, так как согласно [5] оптимальная температура воздуха жилых комнат должна составлять 20–22 °С. Температура в помещении высчитывается косвенным методом по значениям температуры воды на входе в систему отопления потребителя T11, температуры на выходе из теплового пункта T21 и температуры воздуха на улице Ту, основываясь на температурном графике Санкт-Петербурга для потребителей, подключенных по зависимой схеме с открытым водоразбором и работающих по графику 150/70 °С, устанавливающему температуру T1 в подающем трубопроводе на вводе равной 96 °С. По имеющимся данным получаем график изменения температур (см. рис. 8).
По полученному графику можно сделать вывод, что температура воздуха в помещении соответствует уставке, и модель реагирует на изменения температуры окружающей среды. Однако можно заметить небольшие отклонения температуры помещения в зонах понижения уличной температуры. Это связано с тем, что модель элеваторного узла отображает в реальном времени изменение температур на вводе и выводе в здание, а температура окружающей среды изменяется на 5,5 °С каждые полчаса, что не соответствует реальности. В связи с чем система не успевает охлаждаться, и температура в помещении отклоняется на 1,04 °С в большую сторону. На реальном технологическом объекте система будет продолжать держать заданную уставку. Таким образом, полученные зависимости коэффициентов смешения и преобразования от температуры наружного воздуха могут в дальнейшем использоваться для разработки модели автоматизированного ИТП с водоструйным элеваторным узлом.
Литература
1. Опыт реализации проекта «реконструкция системы теплоснабжения района Ново-Ленино г. Иркутска на основе энергосберегающих технологий» / С. И. Котов, В. М. Никитин, В. А. Стенников // Энергосбережение. – 2001. – №2. – С. 58–61.
2. Патент №2566943 Российская Федерация, МПК G05D 23/01 (2006.01), F24D 3/02 (2006.01). Устройство автоматического управления потреблением тепловой энергии (варианты) / С. Г. Хачатуров, А. Г. Давыдов ; патентообладатель ООО «СЭТ». – №2014145647/12 ; заявл. 14.11.14 ; опубл. 27.10.15, Бюл. № 30. – 11 с. : ил. – Текст : непосредственный.
3. Солдатенков, А. Е. Автоматизация децентрализованного отопления комплекса зданий с основными схемами теплопотребления : специальность 05.13.16 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Солдатенков Алексей Сергеевич ; Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова. – Белгород, 2014. – 196 с. – Библиогр.: с. 143–154. – Текст : непосредственный.
4. Совершенствование процесса разработки программного обеспечения для ПЛК путем генерации кода из созданной математической модели объекта управления / В. Н. Хохловский, В. С. Олейников, В. А. Пересвет, В. С. Курочкина, И. Ю. Бурячек // Modern Science. – 2020. – №9-2. – С. 347–359.
5. ГОСТ 30494–2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях = Residential and public buildings. Microclimate parameters for indoor enclosures : национальный стандарт Российской Федерации : издание официальное : утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 12 июля 2012 г. N 191-ст : взамен ГОСТ 30494–96 : дата введения
2013-01-01 / разработан ОАО «СантехНИИпроект», ОАО «ЦНИИПромзданий». – Москва: Стандартинформ, 2012. – 19 с. – Текст : непосредственный.
