CC BY
17
регулирования параметров воздушной среды. Для этого необходимо разработать новый алгоритм работы системы, в котором будет учтён новый режим.
Литература
1. Повышение продуктивности и энергоэффективности животноводческих предприятий за счёт использования системы рециркуляции вентиляционного воздуха с его очисткой и обеззараживанием / В.В. Юркин, В.В. Волков, Б.В. Жеребцов [и др.] // Вестник Государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2013. № 2 (21). С. 87 - 91.
2. Пейль А.К., Жеребцов Б.В., Шахов В.А. Применение солнечного концентратора для получения тепловой и электрической энергии в условиях климата города Тюмени // Современные научно-практические решения в АПК: сб. ст. II Всерос. (национал.) науч.-практич. конф. / Государственный аграрный университет Северного Зауралья. Тюмень, 2018. С. 317 - 320.
3. Андреев Л.Н., Юркин В.В., Басуматорова Е.А. Эффективность применения систем частичной рециркуляции воздуха в свиноводческих помещениях // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 5 (85). С. 140 - 144.
4. Андреев Л.Н., Юркин В.В. Результаты производственных испытаний системы регулирования параметров воздушной среды помещения для содержания поросят на откорме // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 4 (78). С. 134 - 137.
5. Андреев Л.Н., Басуматорова Е.А. Мониторинг состояния воздушной среды вблизи крупных животноводческих комплексов Тюменской области // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 5 (85). С. 179 - 181.
6. Ашихмин А.А., Андреев Л.Н., Суринский Д.О. Влияния электроотпугивателя птиц на энергетическую эффективность производства продукции растениеводства Тюменской области // Современные научно-практические решения в АПК: сб. ст. II Всерос. (национал.) науч.-практич. конф. / Государственный аграрный университет Северного Зауралья. Тюмень, 2018. С. 290 -294.
7. Андреев Л.Н., Басуматорова Е.А. Особенности конструкций электрофильтра-озонатора в АПК // Молодёжь и инновации: матер. XV Всерос. науч.-практич. конф. молодых учёных, аспирантов и студентов. Чебоксары, 2019. С. 279 - 283.
8. Возмилов А.Г. Электроочистка и электрообеззараживание воздуха в промышленном животноводстве и птицеводстве: дис. ... д-ра техн. наук. Челябинск: ЧИМЭСХ, 1993. 337 с.
9. Метод определения весовой концентрации аэрозолей с помощью фильтра АФА-В-18. М.: Всесоюзное объединение «Изотоп», 1968. 6 с.
10. Методика определения эффективности систем очистки воздуха от микроорганизмов / В.Н. Мишагин, Л.Н. Андреев, И.Е. Сыромятов [и др.] // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 5. 39 - 40 с.
11. Андреев Л.Н., Юркин В.В. Разработка системы удаления вредностей из воздушной среды животноводческих помещений // Инновации в сельском хозяйстве. 2019. № 4 (33). С. 223 - 231.
Леонид Николаевич Андреев, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, Тюменская область, г. Тюмень, ул. Республики, 7, [email protected]
Борис Викторович Жеребцов, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, Тюменская область, г. Тюмень, ул. Республики, 7, [email protected]
Leonid N. Andreev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625000, Russia, [email protected]
Boris V. Zherebtsov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625000, Russia, [email protected]
-Ф-
Научная статья УДК 681.5
Тестирование разработанной модели системы управления теплонасосной установкой
Анатолий Сергеевич Кизуров
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. Для обеспечения надёжности работы автоматических и автоматизированных схем управления, построенных на базе программных логических реле, микроконтроллерной и микропроцессорной техники, разрабатываемое программное обеспечение, под управлением которого осуществляется функционирование схемы управления, необходимо тестировать на этапе разработки для обеспечения возможности своевременного исключения ошибок работы. В качестве примера необходимости тестирования программного обеспечения представлена разработанная модель системы автоматического управления теплонасосной установкой. Рассмотрена актуальность автоматизации технологического процесса управления теплонасо-сной установкой, подтверждённая наличием узкоспециализированных контроллеров управления. На основе анализа выпускаемых промышленностью схем управления и на основании требований к технологическому процессу сформулированы требования к автоматизации процесса управления теплоасосной установкой. На основании требований разработаны мнемосхема, электрическая принципиальная схема и модель управления
на примере FBD в среде ONIPLR Studio. Представлены результаты тестирования разработанной модели с указанием замечаний, требующих дополнительного внимания в процессе построения автоматических схем управления теплонасосными установками.
Ключевые слова: автоматизация, автоматическое управление, пресостат, насос, компрессор, ONIPLR, тестирование разработанной модели.
Для цитирования: Кизуров А.С. Тестирование разработанной модели системы управления теплона-сосной установкой // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 138 - 143.
Original article
Testing the developed model of the of heat pump control system
Anatoly S. Kizurov
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. To ensure the reliability of the operation of automatic and automated control circuits built on the basis of software logic relays, microcontroller and microprocessor technology, the software under development that controls the operation of the control circuit must be tested at the development stage to ensure the possibility of timely elimination of operating errors. An example of the need for software testing is the developed model of an automatic control system for a heat pump installation. The relevance of automation of the technological process of control of the heat pump installation, confirmed by the presence of highly specialized controllers, is considered. Based on the analysis of the control schemes produced by the industry and on the basis of the requirements for the technological process, the requirements for the automation of the control process of the heat pump unit were formulated. Based on the requirements, a mnemonic diagram, an electrical schematic diagram and a control model were developed using the example of FBD in the ONI PLR Studio environment. The results of testing the developed model are presented, indicating the remarks that require additional attention in the process of constructing automatic control schemes for heat pump installations.
Keywords: automation, automatic control, pressure switch, pump, compressor, ONIPLR, testing of the developed model.
For citation: Kizurov A.S. Testing the developed model of the of heat pump control system. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 138 - 143. (In Russ.).
При проектировании энергоэффективных систем вентиляции, кондиционирования, тепло- и холодоснабжения и отопления всё чаще делается упор на применение теплонасосных установок. Теплонасосная установка - холодильная машина, работающая по обратному циклу Карно и обеспечивающая перенос тепловой энергии от менее нагретого тела к более нагретому фазовыми переходами (кипение, конденсация) рабочего тела в контурах с разными давлениями, создаваемыми компрессором и дросселем. Эффективность работы теплонасосной установки (ТНУ) характеризуется коэффициентом возврата тепла, показывающим, сколько кВт тепловой энергии производится с одного кВт электроэнергии, для ТНУ эта величина всегда больше 1.
Современные ТНУ способны работать в двух режимах - нагрев и охлаждение. Изменение режима работы обеспечивается изменением направления движения рабочего тела, что приводит к изменению роли теплообменников. При этом наиболее распространённые схемы управления ТНУ на базе специализированных контроллеров предусматривают контроль параметров работы системы только по температурам теплообменников и теплоносителей, а также по давлениям до и после компрессора. Производительность ТНУ регулируется посредством включения/выключения компрессора по принципу термореле либо посредством управления электронным расширительным вентилем [1 - 3].
Узкоспециализированные реле учитывают множество нюансов работы предполагаемых конфигураций оборудования, в том числе задержки на пуск, инертность системы, контроль обратной связи и тому подобное. Несмотря на все представленные плюсы, такие узкоспециализированные реле имеют один недостаток - невозможность перенастройки в условиях эксклюзивной компоновки оборудования и/или технологического процесса. В случае необходимости обеспечения индивидуального подхода к реализации распространённой задачи обычно используется более универсальное решение с возможностью гибкой настройки и/ или программирования. Примерами устройств управления с гибкой настройкой/управлением служат контроллеры и программные реле [1 - 4].
Материал и методы. Проектирование индивидуальных систем автоматического управления теплонасосным оборудованием требует не только разработки алгоритмов, но и их тестирования для повышения надёжности работы и отказоустойчивости путём обнаружения допущенных уязвимостей. Таким образом, возникает необходимость обязательного тестирования разработанной модели систем управления технологическими процессами. С целью подтверждения необходимости тестирования разработанной модели этот процесс рассмотрен на примере системы поддержания температуры одного контура теплонасос-ной установкой. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- разработать концепцию технологического процесса поддержания температуры одного контура теплонасосной установкой;
- сформулировать технологические требования для автоматизации процесса поддержания температуры теплонасосной установкой;
- разработать мнемосхему системы поддержания температуры теплонасосной установкой;
- разработать электрическую схему управления теплонасосной установкой на базе программируемого реле;
- разработать модель системы управления технологическим процессом управления тепло-насосной установкой использованием функциональных блок-диаграмм;
- выполнить функциональное тестирование разработанной модели системы поддержания температуры теплонасосной установкой.
На основе анализа алгоритмов работы контроллеров теплонасосных установок разработана концепция технологического процесса поддержания температуры одного контура те-плонасосной установкой. В основе концепции заложено автоматическое включение/выключение вентиляторов в процессе, автоматическое включение/выключение компрессора с опережающим управлением электронным расширительным вентилем. Повышение надёжности схемы обеспечивается невозможностью работы при температурных параметрах источников тепла за пределами установленных значений. Режимы работы компрессора контролируются давлениями хладагента на впуске и выпуске,
температурой обмоток и током рабочей обмотки (на примере однофазного асинхронного двигателя). Режимы работы исполнительных механизмов теплонасосной установки сигнализируются световой индикацией, возникновение аварийных режимов работы сопровождается звуковой сигнализацией.
Измерения контролируемых величин осуществляются применением аналоговых датчиков. Управление электронным расширительным вентилем осуществляется посредством формирования прямоугольных импульсов сухими контактами входов драйвера шагового двигателя [5, 6].
К технологическим требованиям отнесены ограничения, обеспечивающие продление эксплуатационных показателей оборудования рассматриваемой системы. Продление эксплуатационных показателей обеспечивается лёгким пуском компрессора при полностью открытом электронном расширительном вентиле с последующим плавным обеспечением дросселирования.
На основании вышеуказанных концепции и технологических требований разработана мнемосхема системы управления теплонасосной установкой, представленная на рисунке 1 с указанием только основных рабочих элементов.
Для управления шаговым двигателем М2 рассмотрен вариант применения драйвера, управление которым осуществляется тремя дискретными сигналами (разрешение работы «enable», направление вращения «dir», шаг/такт «pul». Таким образом, с учётом необходимости
Рис. 1 - Мнемосхема системы управления теплонасосной установкой:
Р1, Р2 - аналоговые датчики давления; ТО - Т6 - аналоговые датчики температуры; ЭМ0 - электромагнитный привод; I0 - аналоговый датчик тока; М1 - асинхронный электродвигатель; М2 - шаговый электродвигатель; М3 - М4 - электродвигатели вентилятора; S1 - S2 -концевые датчики вентиля; 1, 2 - теплообменники (конденсатор, испаритель); 3 - электронный расширительный вентиль; 4 - четырёхходовой электроклапан; 5 - ресивер; 6 - компрессор
3 дискретных выводов управления шаговым двигателем и 4 дискретных выводов управления двигателями, требуемое количество дискретных выходов программного реле - не менее 24.
В структуру измерительного оборудования входят: 2 аналоговых датчика давления; 7 аналоговых датчиков температуры; 1 аналоговый датчик тока; 2 концевых датчика электронного расширительного вентиля; 1 кнопка «пуск»; 1 кнопка «стоп».
Ввод настроек, в том числе режима работы, осуществляется с панели программного реле системными кнопками. Таким образом, требуемое количество дискретных/аналоговых входов - не менее 4/10 соответственно.
Требованиям по количеству дискретных входов и выходов соответствует программное реле PLR-S-CPU-1410 с двумя модулями расширения PLR-S-EMD-0808 (на примере продукции ONI PLR). С учётом коммутационного (контакторы, реле напряжения), защитного (автоматические выключатели) и вспомогательного (драйвер шагового двигателя) оборудования составлена однолинейная схема управления системы управления теплонасосной установкой (рис. 2) [4, 6 - 11].
На основе концепции, технологических требований, мнемосхемы и однолинейной электрической схемы был составлен алгоритм работы
модели системы управления. Алгоритмом работы предусмотрено параллельное выполнение нескольких функций [8]:
- управление режимом работы ТНУ: нагрев -охлаждение;
- управление вентилятором слева;
- управление вентилятором справа;
- управление компрессором и электронным расширительным вентилем;
- индикация режимов работы оборудования;
- контроль безаварийности работы системы.
Вариант реализации описанного алгоритма
с учётом электрической схемы подключения (рис. 2) применением функциональных блок-диаграмм (на примере ONI PLR Studio) представлен на рисунках 3 и 4.
С целью проведения функционального тестирования разработанной модели был составлен чек-лист, содержащий основные этапы проверки адекватности выполнения основных функций в соответствии с алгоритмом. По результатам функционального тестирования модель показала полное соответствие, без замечаний. В процессе тестирования на ошибки были выявлены следующие недочёты:
1) отсутствует контроль работы управляемого вентиля;
2) отсутствует контроль работоспособности электродвигателей М3 и М4;
Рис. 2 - Однолинейная схема управления теплонасосной установкой:
QF0 - QF4 -автоматический выключатель; КМ1 - КМ3 - контактор; ЭМ0 - электроклапан; М1-М4 -электродвигатель; Т^ блок питания; НА - звуковой извещатель; НЬ.1 - НЬ.18 - световой индикатор; S1, S2 - концевой выключатель; КС1 - кнопка «стоп»; КП1 - кнопка «пуск»; П - аналоговый датчик тока; Т0 - Т6 -аналоговый датчик температуры; Р1, Р2 - аналоговый датчик давления
Рис. 3 - Модель системы автоматического управления теплонасосной установкой (управление вентилем и режимом работы)
Рис. 4 - Модель системы автоматического управления теплонасосной установкой (сигнализация работы, управление нагрузками)
3) отсутствует режим «оттаивания» теплообменников;
4) отсутствует возможность внесения настроек в режимы работы теплонасосной установки.
Вывод. Результаты тестирования разработанной модели управления теплонасосной установкой показали её эффективность. Выявленные в ходе тестирования недочёты будут устранены на следующем этапе исследования
Литература
1. Контроллеры управления для тепловых насосов [Электронный ресурс]. URL: http://i.digimark.ru/controller-иргау1етуа/(дата обращения 18.05.2021).
2. Контроллеры для тепловых насосов |OEM| Siemens Russia [Электронный ресурс]. URL: https://new.siemens. com/ru/ru/produkty/avtomatizaciya-i-bezopasnost-zdanij/ hvac/oem/kontrollery-dlya-teplovyh-nasosov.html (дата обращения 18.05.2021).
3. Контроллер тепловых насосов RVS61.843/109 [Электронный ресурс]. URL: https://microklimate.ru/kon-troller_teplovih_nasosov_rvs61_843_109/ (дата обращения 18.05.2021).
4. Oni и Электростиль. Где купить панели оператора, контроллеры, логические реле, преобразователи частоты и электродвигатели Они в России [Электронный ресурс]. URL: http://oni.estl.ru/?group=PLR-S-CPU (дата обращения 18.05.2021).
5. Как работает электронный расширительный вентиль (ЭРВ) [Электронный ресурс]. URL: https:// lessar.com/about/technology/5573/ (дата обращения 18.05.2021).
6. Драйверы и контроллеры шагового двигателя [Электронный ресурс]. URL: https://stepmotor.ru/ustrojstvo-upravleniya/block (дата обращения 18.05.2021).
7. Кизуров А.С., Козлов А.В. Учебный стенд по обучению автоматизации работы насосных установок для АПК // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 2 (76). С. 137 - 140.
8. Кизуров А.С. Тестирование разработанной модели системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре (водоёме) // Известия Оренбурского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 147 - 152.
9. Kizurov A.S. Modernization of the heat pump installation for drying wheat // Journal of Physics: Conference Series. 2020; 1614(1): 012068.
10. Юрицин С.А., Кизуров А.С., Лапшин И.П. Бездроссельная теплонасосная установка. Свидетельство о государственной регистрации патента на изобретение RUS 2614133 от 22.03.2017 г
11. Кизуров А.С. Бездроссельная теплонасосная установка с регенеративным теплообменником. Свидетельство о государственной регистрации патента на полезную модель RU 198970 U1 от 05.08.2020 г.
Анатолий Сергеевич Кизуров, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, [email protected]
Anatoly S. Kizurov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural
University. 7, Republic St., Tyumen, 625000, Russia, [email protected]
-♦-
Научная статья
УДК 621.3
doi: 10.37670/2073-0853-2021-91-5-143-149
Расчёт магнитной цепи и результаты испытания синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов
Виктор Гаврилович Петько1, Максим Борисович Фомин1,
Ильмира Агзамовна Рахимжанова1, Александр Борисович Колесников2,
Александр Сергеевич Садчиков2, Ирина Валерьевна Колесникова3
1 Оренбургский государственный аграрный университет
2 ООО «Тюльганский электромеханический завод»
3 Оренбургский государственный университет
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы, касающиеся перспектив использования тихоходных синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов в ветроагрегатах с непосредственным (без-редукторным) соединением валов генератора и ветротурбины. Такая компоновка ветроагрегатов позволит повысить их надёжность и окупаемость в процессе эксплуатации. Изготовлен опытный образец генератора с внешним ротором с числом пар полюсов ротора 13 и числом пар полюсов статора 12. Для возбуждения использованы неодимовые магниты NdFeBN38 с размерами 50x20x9 мм, имеющие коэрцетивную силу Нс, равную 955000 А/м и остаточную магнитную индукцию Вг, равную 1,235 Тл. Осуществлён расчёт магнитной цепи генератора, определён магнитный поток и электродвижущая сила (ЭДС) витка обмотки, катушки и с учётом обмоточного коэффициента ЭДС, наводимая в обмотках каждой фазы. Рассчитаны и определены опытным путём зависимости ЭДС от частоты вращения. Максимальное расхождение результатов, полученных теоретически и опытным путём, не превышает 11 %. Опытным путём снята внешняя характеристика генератора и зависимости тока, напряжения и момента на валу от сопротивления нагрузки. Поставлены задачи усовершенствования с учётом полученных результатов и дальнейшего исследования синхронного генератора в направлении уточнения его энергетических и силовых характеристик.
Ключевые слова: неодимовый магнит, электродвижущая сила, зубец, обмотка, магнитный поток, полюс.
Для цитирования: Расчёт магнитной цепи и результаты испытания синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов / В.Г. Петько, И.А. Рахимжанова, М.Б. Фомин [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (9). С. 143 - 149. doi: 10.37670/20730853-2021-91-5-143-149.
