CC BY
74
преобразователей (ВИП), например, на основе анализа информативных по температуре параметров
схемы замещения пьезоэлемента, влияние изменений температуры [3, 5]
отражающих
Рисунок 2 - Температурные характеристики пьезоэлементов из различных материалов
Рисунок 3 - Изменение температурных характеристик пьезоэлементов технологическими способами
Заключение
Современные возможности электрорадиоизделий и комплектующих, которые применяются при реализации схемотехнических способов все чаще позволяют использовать решения, объединяющие ранее несовместимые конструктивные и схемно-технические способы для выполнения требований по точности измерений, энергосбережению, миниатюризации, адаптивности к системам измерений, управления и контроля. Например, стало возможным размещение
пьезоэлектрических датчиков динамических давлений, датчиков температуры, а в необходимых случаях и измерительных цепей этих датчиков, в одном корпусе. Необходимость и актуальность научных исследований способов уменьшения температурной погрешности пьезодатчиков объясняется возможностью (при относительно небольших затратах на разработку) совершенствования их характеристик путём уменьшения погрешностей измерений от вибрации, нестационарной температуры рабочей среды, в том числе её термоударных воздействий.
1. Преобразователи. Системы. Каталог АО
ЛИТЕРАТУРА
«НИИФИ» //
Пенза: «Пензенская правда», 2011. - С. 70-
98.
2. Богуш М.В. Влияние температуры на коэффициент преобразования пьезоэлектрических датчиков [Текст] / М.В. Богуш // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2008. - № 2. - С. 36 - 39.
3. Маланин В.П. Устройство коррекции температурной погрешности пьезоэлектрических датчиков давления [Текст] / В.П. Маланин, А.Л. Шамраков, В.В. Кикот // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль . 2014. №3 (9). - С. 71 - 76.
4. Михайлов П.Г. Вопросы синтеза и анализа метрологических моделей пьезоэлектрических датчиков быстропеременных давлений / П. Г. Михайлов, Е. А. Мокров, В. В. Скотников, Д. А. Тютюников, В. А. Петрин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - No 1 (7). - С. 35-43.
5. Артемов И.И. Прогнозирование надёжности и длительности приработки технологического оборудования по функции параметра потока отказов / И.И. Артемов, А.С. Симонов, Н.Е. Денисова // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 3-7.
6. Бастрыгин К.И. К вопросу исследования и проектирования высокотемпературного датчика динамического давления / К. И. Бастрыгин // Надежность и качество сложных систем . - 2015. - № 2 (10). -С. 85-90.
УДК 681.518.3 Кузнецов Р.С.
ФГБУН Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия
СРЕДСТВА МОНИТОРИНГА, УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОГОДНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Проведен анализ систем автоматического регулирования теплоснабжения. Показан опыт решения проблем мониторинга, анализа и диагностики систем автоматического погодного регулирования. Описано разработанное программное обеспечение для диспетчеризации и удаленного управления процессами регулирования для тепловых узлов с погодными регуляторами. Приведены аналитические зависимости для оценки эффективности регулирования теплоснабжения. Создан метод экспресс-диагностики для разнотипных приборов учёта и регулирования тепловой энергии на основе результатов измерений.
Ключевые слова:
теплоснабжение, погодное регулирование, контроллер отопления, энергосбережение
Введение
Одним из приоритетных направлений в области энергосбережения в системах теплоснабжения зданий является установка систем автоматического регулирования отопления для обеспечения энергоэффективных режимов за счет индивидуального погодного регулирования на тепловом узле. В теплоэнергетике внедрение средств автоматического погодного регулирования (в частности контроллеров отопления) происходит не так масштабно, как средств коммерческого учёта тепловой энергии и теплоносителя. Однако с каждым годом растет число тепловых узлов потребителей, оборудованных автоматическим регулированием.
Выделяют два принципиально различных способа регулирования теплоснабжения - количественный и качественный. В системах централизованного теп-
лоснабжения в нашей стране используется качественный способ регулирования, при котором отпуск теплоты на источнике осуществляется путем изменения температуры теплоносителя подаваемого в теплосеть. При этом расход теплоносителя в тепловом узле каждого потребителя должен оставаться постоянным в течение всего отопительного сезона. Однако качественный способ регулирования осуществляется для всей теплосети и не учитывает тепловой режим каждого потребителя в отдельности. Помимо этого он выполняется зачастую со значительными отклонениями от нормы, что связано как с занижением температуры теплоносителя в холодное время года, так и с ее превышением в периоды межсезонья. В результате потребители устанавливают автоматику на своих индивидуальных тепловых пунктах, совмещая качественное центра-
лизованное и количественное местное регулирование. Эффективность приборного учета и энергосбережение напрямую зависит от системы автоматического регулирования (САР) теплоснабжения. Помимо теплосчетчика тепловой узел с САР оборудован регулирующим клапаном, циркуляционными насосами и контроллером для регулирования температуры в системе отопления, на который подключены контрольные датчики температуры наружного воздуха и температуры теплоносителя (рис. 1). Регулирование осуществляется путем изменения коэффициента смешения при помощи клапана с электроприводом, установленного на подающем трубопроводе. Регулирующий клапан (задвижка с электроприводом) принимает сигналы от контроллера на открытие или закрытие. При повышении температуры наружного воздуха регулирующий клапан отрабатывает на при-
Теплосчетчик
крытие задвижки и расход теплоносителя из теплосети уменьшается, что приводит к сокращению теплопотребления здания. При похолодании происходит обратный процесс. Циркуляционные насосы поддерживают необходимый расход во внутреннем контуре системы отопления даже при полном закрытии регулирующего клапана. Контроллер осуществляет управление процессом и поддерживает температуру в системе отопления после узла смешения в соответствии с заданным температурным графиком от температуры наружного воздуха. Настройка температурного графика и коэффициентов регулирования осуществляется индивидуально для каждого объекта теплоснабжения. Оптимальная настройка системы автоматического регулирования позволяет получить наилучший эффект и обеспечить комфортный для жильцов тепловой режим при максимальном энергосбережении.
Контроллер ECL200 Comfort
Подающий трубопровод
М
Датчик
температуры Расходомер
Обратный трубопровод
■а
Рисунок 1 - Схема приборного учета и регулирования теплоснабжения
Благодаря работе САР теплопотребление здания снижается при повышении температуры наружного воздуха. Установка системы автоматического регулирования позволяет исключить перерасход энергии (перетоп) в переходный период (особенно в момент оттепели), нормализовать гидравлический режим объекта теплопотребления и получить экономию от 5 до 40%. При установке только теплосчетчика (без САР) фактическое теплопотребеление может быть даже больше, чем нормативное значение. Отметим, что причинами низкого энергосберегающего эффекта от применения САР могут быть не только физические дефекты оборудования, входящего в её состав, но также некорректные настройки и режимы работы контроллера, выполняющего автоматическое регулирование. Поэтому после установки САР на тепловом узле необходимо решить ряд важных задач:
Мониторинг работы САР с заданной периодичностью.
Анализ эффективности регулирования.
Контроль основных параметров и диагностика дефектов регулирования.
Мониторинг работы САР
В связи с необходимостью осуществлять техническое и информационное обслуживание, установленных регуляторов на объектах теплоснабжения, разработано программное обеспечение для телеуправления [1,2]. Реализованы функции диспетчеризации и удаленного управления процессами регулирования для тепловых узлов, оснащенных погодными регуляторами. Программа позволяет получить и изменить следующую информацию:
1. «Состояние системы» - отображение значений датчиков температур S1, S2, S3, S4, состояния клапана М1 и насоса Р1 (рис. 2).
2. «Температурный график» - возможность выбора наклона и сдвига кривой графика отопле-ния/ГВС, а также изменения уставок температур для дневного и ночного режимов регулирования.
3. «Коэффициенты ПИД» - изменение зоны пропорциональности и постоянной интегрирования регулятора.
4. «Расписание» - формирование недельного расписания работы прибора по дневной/ночной уставкам температур.
Программное обеспечение для работы с регулятором ECL 210 находится в промышленной эксплуатации на заводе «Радиоприбор»[3] г. Владивосток. ECL 210 регулирует подачу теплоносителя на тепловом узле одного из цехов и управляется из местного диспетчерского пункта по проводной линии RS-485. Благодаря постоянному контролю удалось настроить регулятор максимально рационально, при этом цех сохранял постоянную комфортную для работы температуру днем и приемлемо пониженную температуру ночью и в нерабочие дни, что позволило сэкономить за отопительный сезон на отоплении порядка 20% по сравнению с предыдущим отопительным сезоном. Помимо крупных объектов, данные регуляторы устанавливаются вместе с тепло-вычислителями в тепловых узлах жилых домов [4]. С данными объектами осуществляется связь с помощью специального коммуникационного оборудования - GSM-модемов. Модемы поддерживают коммутируемый канал передачи данных CSD и соединение по сети с использованием протокола передачи данных TCP/IP.
За время эксплуатации программного обеспечения мониторинга и диспетчеризации ECL Comfort 210/310 на крупных и малых объектах теплоэнергетики повышена эффективность теплоснабжения [5]. Заложенные средства диагностики и проверки значений параметров показали свою надежность даже при очень низком качестве связи.
Анализ эффективности регулирования
На основе методов описанных в [6,7] для анализа качественного и количественного регулирования теплоснабжения созданы три различных представления информации:
- зависимость тепловой энергии от параметров теплоносителя;
- изменение тепловой энергии по часам суток;
- регулирование по температурному графику.
t
(a)
(c)
lOJ lO| О 191
Клапан н насосы. Отопление и ГВС с водонагревателем.
Состояние системы Температурный график Коэффициенты ПИД Расписание
Зона пропорциональности, Хр
Более высокое зыачеыие зоны пропорциональности приведет к устойчивому,: медленному регулированию температуры теплоносителя.
Диапазон: [1...250]
Постоянная интегрирования, Тр
Установите большую постоянную интегрирования для получения медленной, но устойчивой реакции на отклонения. Малая постоянная интегрирования вызовет быструю реакцию регулятора, но с меньшей устойчивостью.
Диапазон: [у...999]
Порт свободен и прибор отвечает на запросы.
Danfoss ECL Comfort 200/300
Информация о типе
г Время прибо
M-bus номер: О
г 08.04.201112:
Версия: ю
Тип карты Р30
Клапан и насос в системе отопления.
■м
о от®
Состояние системы Температурный график Коэффициенты ПИД Расписание
Наклон графика о [je предыдущий следующий >
Значение кривой: u¡ _
Параллельный сдвиг графика
Значение сдвига:
Уставки температур [10...30] Комфортная (днем): го Пониженная (ночью): 20
Идет цикличный опрос прибора
(b)
(d)
Рисунок 2 - Состояние САР (а), температурный график регулирования (Ь), коэффициенты регулирования
(с) и расписание работы регулятора (^
Рисунок 3 - Зависимость тепловой энергии от температуры и расхода теплоносителя
аналитические представления
энергии от параметров
Рассмотрим эти более подробно.
Зависимость тепловой теплоносителя.
Представление включает 2 графика. На первом графике (верхний) отображается тренд, характеризующий эффективность качественного способа регулирования - зависимость тепловой энергии от температуры теплоносителя, поступающего из тепловой сети. На втором графике (нижний) показана зависимость потребляемой на отопление тепловой энергии от массового расхода теплоносителя, регулируемого на тепловом узле объекта с помощью автоматики. Анализируя представленные зависимости, эксперт может сделать вывод о том, насколько эффективно осуществляется качественный и количественный способ регулирования на объекте. На рис. 3 показаны зависимости характерные для смешанного количественно-качественного регулирования теплоснабжения. Видно, что качественный способ регулирования преобладает во время наиболее холодного периода, когда температура в теплосети поддерживается в соответствии с температурным графиком источника тепловой энергии (на нижнем графике в области высокого расхода, на верхнем - область высоких температур). Во время оттепелей, когда температура в теплосети поддерживается не ниже 60°С для обеспечения горячего водоснабжения, преобладает режим количественного регулирования, что позволяет
получить энергосбережение за счет исключения перерасхода тепловой энергии (на верхнем графике диапазон температур в области 60°С, на нижнем графике - область с низким расходом теплоносителя). Построенные тренды можно использовать для прогнозирования теплопотребления объекта и оценки энергосбережения.
Изменение тепловой энергии по часам суток.
Визуальная оценка эффективности применения качественного и количественного способов регулирования теплоснабжения на тепловом узле потребителя возможна при анализе графиков основных параметров усредненных по часам суток. На рис.4 представлены графики изменения потребляемой тепловой энергии 0, температуры из теплосети Т1, расхода теплоносителя М1 и температуры наружного воздуха Тнв с усреднением этих параметров по часам суток. Верхний график показывает эффективность качественного способа регулирования, когда температура в теплосети изменяется в соответствии с температурой наружного воздуха. Нижний график показывает эффективность количественного способа регулирования, когда расход теплоносителя должен изменяться по температуре наружного воздуха, увеличивая или уменьшая тепловую энергию потребляемую объектом. Если будет отсутствовать корреляция 0 от М1, можно сделать вывод о том, что регулятор не работает. График на рис.4 показывает, что регулятор, безусловно, выполняет свои функции и количественное регулирование преобладает над качественным.
Рисунок 4 - Распределение тепловой энергии, температуры наружного воздуха и параметров
теплоносителя по часам суток
Регулирование по температурному графику Температурный график - это расчетный показатель качества теплоснабжения, согласно которому устанавливается необходимая зависимость температуры теплоносителя от температуры наружного воздуха. Температурный график подающего трубопровода тепловой сети отопления должен поддерживаться производителем тепла. Температурный график теплоносителя в обратном трубопроводе
должен поддерживаться потребителем тепла. Предусматривается, что температура теплоносителя должна соответствовать температурному графику с учетом согласованных допускаемых отклонений от него. При наличии нагрузки на горячее водоснабжение график температур воды в подающей линии в теплый период отопительного сезона спрямляют (нижняя срезка) так, чтобы была обеспечена необходимая температура потребляемой горячей воды.
Рисунок 5 - Температурный график и график тепловой нагрузки
События "^Дефекты"^ Диагностика
Параметр Норма Нижний ГШ Среднее МАХ Верхний Количество
Огвс,Мкап/ч 87.78 10,45 50,89 73,33 116,05 209,00 24 ||4| I» I I"
Оот.Мкдпч 10,17 5,62 44,66 52,72 56,31 236,00 24
ОоощМкал ч 97,95 93,40 105,37 126,05 170,14 323,78 24
Тнв',°С -10,00 -1,99 0,22 2,43 10,00 24
О'.Мкалч -1,25 13,67 -9,00 -0,67 7,00 11,20 24
ОЧТНВ), -5,62 -8,43 -1,10 -2,81 24
Т1',°С -0,41 -4,46 -0,79 -0.06 -0,04 0.82 0,58 3,65 24
Т1'(ТНВ), -1,83 -2,75 -0,12 -0,92 24
Т2\°С -0,13 -1,45 -0,85 1,19 24
Т2ЧТНВ), -1,24 -1,86 -0,16 -0.62 24
(1ТУС -0,13 -1,45 -0,57 -0,02 0,56 1,19 24
М1*. 0,00 13,00 -0,58 0,05 0,38 13,00 24
МГ(ТНВ), 0.00 -9,44 -0,64 0,24 4,06 9,44 24
Рисунок 6 - Диагностика параметров теплосчетчика
Однако в открытых системах теплоснабжения наблюдается перерасход тепловой энергии на отопление
здания при отсутствии локального регулирования теплоснабжения на объекте. На верхнем графике (рис. 5) отображается температурный график отопления по результатам измерения температуры в подающем и обратном трубопроводах на объекте.
График позволяет производить сравнительный анализ утвержденного для объекта и фактического температурного графика за выбранный временной интервал с целью оценки эффективности качественного регулирования теплоснабжения. Температурный график на рис. 5 показывает, что температура в теплосети немного завышена в области срезки температурного графика. Расходуемую потребителем теплоту называют тепловой нагрузкой. Потребность в теплоте не остается постоянной. Распределение тепловой нагрузки можно проиллюстрировать графически. На нижнем графике (рис.5) можно просмотреть значения измеренной тепловой нагрузки в зависимости от температуры наружного воздуха, а также сравнение с нормативной тепловой нагрузкой.
Контроль основных параметров и диагностика дефектов регулирования
При поступлении новых данных с приборов учета и регулирования необходимо осуществлять контроль достоверности результатов измерений [8], а также обнаружение нештатных ситуаций на тепловом узле и диагностирование дефектов [9,10]. Накопленная в базе данных измерительная информация по результатам мониторинга контроллеров теплоснабжения и архивов теплосчетчиков может быть использована для определения соответствия режима погодного регулирования фактическому температур-
ному графику системы отопления. В качестве примера приведем часть основных проверок, которые используются для диагностики и контроля правильной работы регуляторов:
Проверка достоверности показаний датчика температуры наружного воздуха.
Проверка температурного графика заданного в регуляторе.
Проверка коэффициентов регулирования.
Разработан и добавлен в модуль «Экспресс-ана-лиз»[11] (рис.6) метод экспресс-диагностики результатов измерений за выбранные сутки по разнотипным приборам учёта и регулирования. Диагностическая карта, получаемая в результате расчёта показателей по всем значениям параметров прибора учёта за выбранные пользователем сутки, позволяет оценить эффективность функционирования оборудования и выявить нештатные ситуации.
Заключение
Основной эффект от внедрения систем автоматического регулирования в теплоэнергетике заключается в том, что их использование позволяет обеспечить качественно новый уровень управления процессами теплоснабжения с использованием современного оборудования, телекоммуникационных средств нового поколения и передовых информационных технологий. Возможности САР ориентированы на обеспечение бесперебойного и качественного теплоснабжения, поддержание оптимальных (энергоэффективных) эксплуатационных режимов, а так же получение реального экономического эффекта за счёт энергосбережения и, как следствие, сдерживание роста тарифов на тепловую энергию и горячую воду.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волошин Е.В., Кузнецов Р.С., Чипулис В.П. Анализ работы средств регулирования и дистанционное управление процессами теплоснабжения // В сборнике: системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM -2013)Труды 13-й международной конференции. Под редакцией Е.И. Артамонова. 2013. С. 140-144.
2. Волошин Е.В. Анализ и разработка программных средств мониторинга и диспетчеризации для регулятора тепловой энергии DANFOSS ECL 210/310 // Промышленные АСУ и контроллеры. 2013. № 8. С. 5157.
3. Kuznetsov R., Chipulis V. Monitoring and automatic control for heating system of the plant // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2014. Т. 279 LNEE. С. 7-12.
4. Виноградов А.Н. Применение информационных технологий в управлении процессами потребления тепловой энергии объектами ЖКХ // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 263-265.
5. Виноградов А.Н. Опыт применения энергосберегающих технологий на объектах теплопотребления и анализ их эффективности // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С.
160-161.
6. Чипулис В.П. Оценка эффективности регулирования теплопотребления с использованием архивной информации приборов учета тепловой энергии // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 273-277.
7. Чипулис В.П. Сравнительная оценка режимов регулирования теплопотребления // Измерительная техника. 2014. № 9. С. 32-38.
8. Чипулис В.П. Об аудите приборного учета тепловой энергии // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 1. С. 96-99.
9. Чипулис В.П. Диагностирование кратных дефектов объектов теплоэнергетики // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2007. Т. 1. С. 59-61.
10. Гришко А.К. Анализ и оптимизация траектории поведения системы на основе прогнозирующего управления / А.К. Гришко // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. Т. 1. С. 291-292.
11. Kuznetsov R.S. Diagnostic application in the heat-power engineering // First Russia and Pacific Conference on Computer Technology and Applications. - Vladivostok, Russia, 6 - 9 September, 2010. - P. 291-293.
УДК 681.51
Диго Г.Б., Диго Н.Б.
ФГБУН «Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской Академии наук» (ИАПУ ДВО РАН), Владивосток, Россия
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАПАЗОНОВ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАСТРОЙКИ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Рассматривается один из важных вопросов, возникающих при проектировании технических устройств с элементами настройки, — выбор необходимых диапазонов изменения параметров, обеспечивающих настройку и регулировку. Выдвигаются требования к свойствам искомых диапазонов. Излагается подход к решению формализованной задачи выбора искомых диапазонов как оптимизационной задачи, и обсуждаются возможные пути сокращения возникающих при этом временных затрат. Предлагается применение некоторых аспектов технологии распараллеливания. Анализируется вариант устройства с одним настраиваемым параметром.
Ключевые слова:
настроечные параметры, настроечный ресурс, оптимизационная задача, диапазон изменения параметра.
Введение
