Современное состояние управления систем вентиляции средствами электропривода в аспекте обеспечения микроклимата в производственных помещениях технологических комплексов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© В.Н. Фащилснко, C.B. Варфоломеев, 2013

УДК 622:621.31

В.Н. Фащиленко, С.В. Варфоломеев

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ СРЕДСТВАМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В АСПЕКТЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Рассмотрен вопрос актуальности использования нечеткой логики для управления электроприводом системы вентиляции, рассмотрены условия и требования, предъявляемые к промышленным системам, а так же пути решения данной проблемы. Рассмотрены возможные системы, решающие поставленную задачу. Ключевые слова: микроклиматические условия, рабочая зона, вентиляция, электропривод.

Основным потребителем электроэнергии в различных отраслях промышленности является система электропривода рабочих машин, агрегатов и промышленных установок, одной из которых является система вентиляции, предназначенная для создания требуемого воздухообмена в производственных помещениях и обеспечения оптимальных показателей микроклимата.

Оптимальными микроклиматическими условиями является сочетание количественных показателей микроклимата, температуры, влажности, скорости движения воздуха и теплового излучения технологического оборудования, которые при длительном и систематическом воздействии на человека должны обеспечивать сохранения нормального теплового состояния организма без напряжения механизмов терморегуляции. Они обеспечивают ощущение теплового комфорта и создают предпосылки для высокого уровня работоспособности (ГОСТ 12.1.005 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» и СанПиН 2.2.4.548-96 "Гигиенические требова-

ния к микроклимату производственных помещений") [1, 2].

Условия микроклимата производственных помещений зависят от теп-лофизических особенностей технологического процесса, климата, периода года, состояния системы вентиляции и отопления.

Исключительно важной задачей на производстве является постоянное поддержание требуемых параметров микроклимата, влияющих не только на здоровье и работоспособность человека, но и на срок службы технологического оборудования. Следовательно, решая данную задачу, решается вопрос энергоэффективности работы электропривода системы вентиляции, так как в этом случае исключается нерациональное использование энергии, потребляемой электроприводом системы, путем регулирования режимов работы - выводя его на оптимальный, требуемый режим.

Выдержка из требований, предьяв-ляемых к оптимальным показателям микроклимата, по ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» приведены в табл. 1.

Таблица 1

Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений

Период года Категория работ Температура, °С Относительная влажность Скорость движения воздуха, м/с

оптимальная допустимая оптимальная допустимая на рабочих местах оптимальная, не более допустимая на рабочих местах постоянных и непостоянных *

верхняя граница нижняя граница

на рабочих местах

по-сто-ян-ных непостоянных по-сто-ян-ных непостоянных

Холодный Легкая 21-23 24 25 20 17 40-60 75 од Не более 0,2

Средней тяжести 18-20 23 24 17 15 40-60 75 0,2 Не более 0,3

Тяжелая - III 16-18 19 20 13 12 40-60 75 0,3 Не более 0,5

Теплый Легкая 22-24 28 30 21 19 40-60 60 (при 27 °С) 0,2 0,1-0,3

Средней тяжести 20-22 27 29 16 15 40-60 70 (при 25 °С) 0,3 0,2-0,5

Тяжелая 18-20 26 28 15 13 40-60 75 (при 24 °С и ниже) 0,4 0,2-0,6

Большая скорость движения воздуха в теплый период года соответствует максимальной температуре воздуха, меньшая - минимальной температуре воздуха. Для промежуточных величин температуры воздуха скорость его движения допускается определять интерполяцией; при минимальной температуре воздуха скорость его движения может приниматься также ниже 0,1 м/с - при легкой работе и ниже 0,2 м/с - при работе средней тяжести и тяжелой.

Таблица 2.

Зависимость субъективных ощущений человека от параметров рабочей среды

Температура воздуха, ° С

Относительная Субъективное ощущение

влажность возду-

ха, %

40 наиболее приятное состояние

75 хорошее, спокойное состояние

85 отсутствие неприятных ощущений

90 усталость, подавленное состояние

20 отсутствие неприятных ощущений

65 неприятные ощущения

80 потребность в покое

100 невозможность выполнения тяжелой работы

25 неприятные ощущения отсутствуют

50 нормальная работоспособность

65 невозможность выполнения тяжелой работы

80 повышение температуры тела

90 опасность для здоровья

21

24

30

Оптимальные показатели распространяются на всю рабочую зону, а допустимые устанавливают раздельно для постоянных и непостоянных рабочих мест в тех случаях, когда по технологическим, техническим или экономическим причинам невозможно обеспечить оптимальные нормы.

Высокая температура воздуха способствует быстрой утомляемости человека, может привести к перегреву организма, тепловому удару или профзаболеванию. Низкая температура воздуха может вызвать местное или общее охлаждение организма, стать причиной простудного заболевания либо обморожения.

Влажность воздуха оказывает значительное влияние на терморегуляцию организма человека. Высокая относительная влажность (отношение содержания водяных паров в 1 м3 воздуха к их максимально возможному содержанию в этом обьеме) при высокой температуре воздуха способствует перегреванию организма, при низкой же температуре она усиливает теплоотдачу с поверхности кожи, что ведет к переохлаждению организма. Низкая влажность вызывает пересы-

хание слизистых оболочек дыхательных путей работающего.

Подвижность воздуха эффективно способствует теплоотдаче организма человека и положительно проявляется при высоких температурах, но отрицательно при низких.

Субьективные ощущения человека меняются в зависимости от изменения параметров микроклимата, зависимость приведена в табл. 2 [3].

Помимо показателей характеризующих микроклимат на производстве также предьявляются требования по контролю за предельно допустимым содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

Для каждого производственного участка должны быть определены вещества, которые могут выделяться в воздух рабочей зоны. При наличии в воздухе нескольких вредных веществ контроль воздушной среды допускается проводить по наиболее опасным и характерным веществам, устанавливаемым органами государственного санитарного надзора.

Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны не должно превышать предельно допустимых кон-

центраций (ПДК) так же установленных по ГОСТ 12.1.005-88.

Для создания нормальных условий труда в производственных помещениях должны обеспечиваться нормативные значения каждого из параметров, учитывая воздействие на них различных факторов. Вследствие чего система является многофакторной.

Таким образом, на режим работы системы вентиляции будут влиять следующие факторы:

1. Температура воздуха окружающей среды 1вос. (оС);

2. Температура воздуха внутренней среды 1в.„с. (°С);

3. Относительная влажность воздуха фв. (%);

4. Скорость движения воздуха Ув. (м/с);

5. Интенсивность теплового излучения от оборудования Е™. (Вт/м2);

6. Предельно допустимая концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны ПДКвв. (мг/м3);

7. Воздухообмен в помещениях (в зависимости от количества людей)

Нв.о.

Данные факторы можно разделить на две группы:

Независимые (те факторы, на значение которых нельзя повлиять), к ним относятся: температура воздуха окружающей среды, интенсивность теплового излучения от оборудования, предельно допустимая концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны, относительная влажность воздуха.

Зависимые (факторы, на значение которых можно повлиять), к ним относятся: температура воздуха внутренней среды, скорость движения воздуха, воздухообмен в помещениях.

Комплекс всех этих факторов представляет собой сложную модель, вследствие чего проблема поддержания внутрипроизводственного микро-

((Ь^Егл; ПДКвв.

Рис. 1. Факторы, влияющие на работу системы вентиляции

климата является не простой задачей, из-за своей многофакторности, для решения которой применение стандартных моделей систем не представляется эффективным.

Основным фактором, непосредственно влияющим на работу системы, является температура окружающей среды, в силу своей нестабильности и прямого влияния на изменение внутрипроизводственной температуры, изменение которой приводит к изменению микроклимата. В связи с этим, чтобы избежать выхода его параметров за пределы границ, установленных предъявляемыми требованиями, следует вести непрерывный контроль над этими параметрами и в случае отклонения от нормы одного из них незамедлительно принимать решение перерегулирования работы системы.

Для любых видов объектов, вне зависимости от класса и сложности, действует единый основной принцип управления - принцип обратной свя-

СУ|

№

р Об

у(0

Рис. 2. Обобщенная структурная схема САР: Об - обьект; СУ - устройство сравнения; Р - регулятор; {(1) - возмущающее воздействие; у(1:) - регулируемая величина; £(1) -ошибка регулирования; д(1:) - задающее воздействие; ц(1:) - управляющее воздействие

зи. Сущность принципа заключается в выработке управляющих воздействий на обьект, на основании данных о состоянии процесса в конкретный момент времени и их сравнении с заданными параметрами.

Ключевым звеном в управлении системой вентиляции является автоматическое регулирование, в которой управляющее воздействие на обьект вырабатывается автоматически в результате сравнения действительного значения управляемой величины с заданным значением в замкнутой системе: обьект - автоматическое регулирующее устройство - обьект.

Система автоматического регулирования (САР) определяется как система автоматического управления, в которой заданные показатели в статических и динамических режимах достигаются посредством оптимизации замкнутых контуров регулирования [4].

В САР могут реализовываться различные принципы регулирования:

1. Если на вход системы подается

только ошибка регулирования £(: = дС - уф, то в САР осуществляется принцип регулирования по отклонению (принцип Ползунова-Уатта).

2. Если на вход системы подается только изменение возмущающего воздействия ОД, то в САР осуществляется принцип регулирования по возмущению (принцип Понселе).

3. Если на вход системы подаются

одновременно и ОД, то такие системы регулирования называются комбинированными.

Главным достоинством САР по отклонению является то, что такая система компенсирует влияние любого возмущающего воздействия, которое вызвало изменение величины выходного сигнала системы, путем изменения через цепь отрицательной обратной связи величины входного сигнала.

Недостаток САР по отклонению в том, что для срабатывания регулятора необходимо появление отклонения выходного сигнала (т. е. нарушение технологического процесса). Только после этого регулятор скомпенсирует возмущающее воздействие и сведет к нулю отклонение величины регулируемого параметра от заданного.

В САР, работающей по принципу возмущения, регулятор компенсирует изменение возмущающего воздействия до того, как нарушится технологический режим, т. е. изменится регулируемый параметр. Это является достоинством таких САР. Однако при наличии других возмущающих воздействий, они остаются нескомпенсиро-ванными.

Поэтому в промышленности САР по возмущению используются редко.

В комбинированной САР недостатки первых двух систем отсутствуют.

По виду регулируемого параметра автоматические регуляторы в СКВ подразделяются на регуляторы температуры, давления, влажности, разряжения, расхода, состава и т. п.

По характеру изменения регулирующего воздействия автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы с линейными и нелинейными законами регулирования.

Примером регуляторов с нелинейным законом регулирования могут

служить двухпозиционные регуляторы температуры в холодильных машинах. В трехпозиционных дискретных системах выходной сигнал может принимать три значения: -1, 0, +1, т. е. «меньше», «норма», «больше». Качество работы таких САР выше, хотя их надежность ниже.

Регуляторы с линейным законом регулирования по математической зависимости между входными и выходными сигналами подразделяются на следующие виды:

• пропорциональные (П-регулято-ры);

• интегральные (И-регуляторы);

• пропорционально-интегральные (ПИ-регуляторы);

• пропорционально-дифференциальные (ПД-регуляторы);

• пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД-ре-

гуляторы).

Однако использование этих систем не всегда позволяет достичь ожидаемого эффекта.

Как пример, объектом исследования была выбрана обогатительная фабрика, находящаяся в условиях резко континентального климата, для которого характерны резкие колебания суточных и сезонных температур воздуха.

Далее приведена выдержка статистических данных изменения температур. В выдержке представлена динамика изменения температур за определенно взятый месяц.

По приведенным выше графикам температур можно судить о динамичности изменения режимов работы приточно-вытяжной системы вентиляции.

Для качественной и эффективной работы системы необходимо вести контроль над каждым отдельно взятым параметром, чтобы исключить фактор ложных изменений, например

временное открытие ворот или дверей помещений, когда холодный воздух снаружи приводит к локальному кратковременному снижению внутренней температуры помещения. В этом случае система должна определить причину изменения параметра и её истинность, сравнив получаемые данные от внешних датчиков температур, внутренних (расположенных в нескольких точках помещения) и датчика температуры на выходе системы вентиляции. По полученным данным система, произведя анализ своих условий, должна принять решение о ложности сигнала и не производить перерегулирование режима работы, либо же изменить свой режим на определенный процент и время, чтобы привести к требуемой норме контролируемый параметр.

В другом случае, когда происходит изменение внутренней температуры из-за колебания температуры внешней среды. Система должна изменить свой режим работы, сделав анализ состояния всех факторов, выбрать подходящий по условиям алгоритм и произвести перерегулирование режима работы.

Возможно и такое, когда изменяются сразу несколько параметров одновременно, например температура внутри помещения, из-за изменения внешней, и содержание ПДК вредных веществ (выделение газов, пыли) связанное с технологической работой или же ремонтной работой. Следовательно, режим работы системы должен измениться таким образом, чтобы снизить содержание ПДК вредных веществ путем их удаления из рабочей зоны и обеспечить поддержание требуемой температуры. Удаление вредных веществ из рабочей среды производится путем повышения кратности воздухообмена посредством приточно-вытяжной вентиляцией.

?

ю

! is

I

s

I

a>

•c g

S ai

1 s

В"

1

N> О м

0

1

ЩЧ I-.J-.f.J-.S-.r-l-J: f-.j-

01,11,2010 1: 01,11,2010 7: 01,11.2010 13: 01,11,2010 19 02,11,2010 1 02,11,2010 7: 02,il,¿010 13: 02.11.2010 19: 0^,11,2010 1: 03,11,2010 7: 03,11,2010 13 03,11,2010 19: 04,11,2010 1: 04,11,2010 7: 04,11.2010 13: 04,11,2010 IS: 0^,11,2010 1; 05,11,2010 7: 05.11,2010 13: 05.11,2010 19: 06,11,2010 1: Об, 11,2010 7: 06, il, 2010 13 06.11,2010 19 О!?,11,2010 1: 07,11.2010 7: 07,11, ¿010 13: 07.11,2010 19: OS,11,2010 1 08,11,2010 7 08,11,2010 13 OS, 11,2010 22: 09,11,2010 4: 09.11,2010 10: 09,11,2010 16: 09.11,2010 22 10,11,2010 4: 10,11,2010 10: 10.11,2010 16: 10,11.2010 22: 11.11,2010 4: 11,11,2010 10: 11,11,2010 16: 11.11.2010 22: 1^.11,2010 4: 12.11,2010 10: 12.11,2010 16: 12,11,2010 22 13,11,2010 4: 13,11,2010 10: 13,11.2010 16: 13,11,2010 22: 14,11.2010 4: 14,11,¿010 10: 14,11,2010 16: 14,11.2010 22 15,11.2010 4: 15,il,¿010 10: 15,11,2010 16: 15,11,2010 22: 16,11,2010 4: 16.11,2010 10: 16.11,2010 16: 16.11.2010 22: 1 ¡7,11.2OID 4: 17.11,2010 10: 17,11,2010 16: 17,11.2010 22 18,112010 4: IS,íl,¿010 10: 18.11.2010 16: 18,11,2010 22: 19,11,2010 4: 19,íl,2010 10: 19.11,2010 16: 19,11,2010 22: 20,11,2010 4: 20,i 1.¿010 10: 20,11,2010 16: 20,11,2010 22 21,11,2010 4: 21,í 1.¿010 16: 21,11,2010 22: 22.11.2010 10: 22,11,2010 22: 2^,11,2010 4: 23,11.2010 10: 23.11,2010 16:

?

! IS

i S

I

ai

•e g

S ai

1 s

B"

1

N> О

-» о ^ со --JOT un -pi UO NJI-» О

01,11,2011 1: 01,11,2011 16 02,11,2011 7: 02,11,2011 22 03,11,2011 13 04,11,2011 4; 04,11,2011 19 05,11,2011 10 06,11,2011 1: 06,11,2011 16 07,11,2011 7: 07,11,2011 22 08,11,2011 13 09,11,2011 4: 09,11,2011 22 10,11,2011 13 11,11,2011 4: 11,11,2011 19 12,11,2011 10 13,11,2011 1: 13,11,2011 16 14,11,2011 10 15,11,2011 1: 15,11,2011 16 16,11,2011 7: 16,11,2011 22 17,11,2011 13 18,11,2011 4: 18,11,2011 19 19,11,2011 10 20,11,2011 1: 20,11,2011 16 21,11,2011 7: 21,11,2011 22 22,11,2011 13 23,11,2011 4: 23,11,2011 19 24,11,2011 10 25,11,2011 1; 25,11,2011 16 26,11,2011 7: 26,11,2011 22 27,11,2011 13 28,11,2011 7: 28,11,2011 22 29,11,2011 13 30,11,2011 7:

База данных: лиигвистические переменные нечеткие правила

А

Блок фаззификации Логическое устройство

Управляемая система

Рис. 5. Блок-схема микроконтроллера реализующего нечеткую логику

Но увеличивая подачу свежего воздуха, необходимо увеличивать температуру нагревательного элемента, иначе воздух не будет успевать нагреваться до требуемой температуры. Помимо этого работа приточного вентилятора должна быть связана с работой вытяжного, для соблюдения баланса подаваемого и удаляемого воздуха.

В силу своего непостоянства воздействующих условий, следствием чего является частое изменение режима работы, стандартные системы не способны эффективно обеспечить требуемый воздухообмен с поддержанием оптимальных параметров микроклимата и качества переходных процессов одновременно.

В настоящее время на предприятиях России используются стандартные системы регулирования. Для построения таких систем необходимо знать абсолютно все об обьекте управления и обо всей системе в целом, что в случае многофакторности критериев с условием их частной неопределенности и нелинейности не представляется возможным. На помощь приходят новые системы управления, основанные на совершенно других принципах управления, нежели стандартные регуляторы.

В конце прошлого века, великим математиком Заде, была сформулирована теория нечетких множеств, а позже создали систему управления,

основанную на этих принципах - нечеткий регулятор [5].

Перспективы развития систем с использованием регуляторов на базе нечеткой логики на сегодняшний день весьма велики, данные системы уже нашли широкое применение в таких отраслях как атомная энергетика, машиностроение, робототехника, механосборочное производство и др. Так же было представлено немало научных трудов и исследований в данной области [6].

Весь алгоритм построения нечетких регуляторов очень хорошо отлажен в системе МДТЬДВ, а также в некоторых БСАЭД-системах.

Микроконтроллер, реализующий нечеткую логику, состоит из следующих частей: блок фаззификации, база данных, логическое устройство, блок дефаззификации (рис. 5) [4].

Блок фаззификации преобразует четкие величины, измеренные на выходе обьекта управления, в нечеткие величины, описываемые лингвистическими переменными.

Логическое устройство использует нечеткие условные правила, заложенные в базе данных, для преобразования нечетких входных данных в управляющие воздействия, которые также носят нечеткий характер.

Блок дефаззификации преобразует нечеткие данные с выхода блока решений в четкую величину, которая используется для управления обьек-том.

В системе управления на базе нечеткой логики температура уставки постоянно корректируется, исходя из текущих значений температуры и влажности помещения. Поддерживаемая температура в помещении при такой системе находится на уровне допустимых пределов, благодаря чему снижается энергопотребление.

Управление системой вентиляцией с применением регуляторов на базе нечеткой логики обеспечивает:

• изменение температуры в соответствии с санитарными нормами, а именно отсутствие резкого перепада температур в помещении, поддержание допустимой скорости потока воздуха и др.;

• установку необходимой подачи/удаления воздуха;

• выбор режима работы и уставку температуры, исходя из температуры и влажности в помещении;

• выбор оптимального (комфортного) распределения и интенсивности потока воздуха;

• минимальное время

Рис. 6. Блок-схема автоматизированного регу- хода на заданный режим лирования работы электропривода системы • умень0ение вентиляции, на базе нечеткой логики электроэнергии.

вы-

расхода

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 12.1.005 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».

2. СанПиН 2.2.4.548-96 "Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений".

3. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств (Охрана труда): Учеб. пособие для вузов/П.П. Кукин, В.Л. Лапин, Н.Л. Пономарев и др. - 4-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 2007.

4. Бондарь Е.С., Гордиенко A.C., Михайлов В.А., Нимич Г.В. Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха, под ред. Бондаря Е.С. TOB «Ви-давничий Будинок «Аванпост-Прим» 2005.

5. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию прибли-женнык решений, под ред. Моисеева Н. Н. и Орловского С. А. Изд. «МИР» Москва 1976.

6. Решетняк С.Н. К вопросу использования фаззи-логики для управления электроприводами горных машин. ГИАБ (научно-технический журнал)» 2011. ШИН

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Фащиленко Валерий Николаевич - профессор кафедры ЭЭГП, доктор технических наук, профессор, [email protected]

Варфоломеев Сергей Владимирович - аспирант кафедры ЭЭГП, [email protected] Московский государственный горный университет, [email protected] Moscow State Mining University, Russia, [email protected]