Комплексная реализация функций управления

Способ реализация функций управления в системах автоматики обычно определяется общим уровнем развития элементной базы. До 90-х годов прошлого столетия в промышленности (в том числе и в СКВ) доминировал принцип «аппарат-функция». Его суть заключалась в том, что конкретную функцию в локальных системах автоматики реализовало конкретное устройство, выполненное, как правило, на базе релейно-контакторной аппаратуры.

Такие схемные решения встречаются и в настоящее время в простейших системах приточно-вытяжной вентиляции. На рис. 5 представлена функциональная схема автоматизации приточно-вытяжной вентиляции на базе релейно-контакторной аппаратуры и измерителя-регулятора температуры, а на рис.6 – схема электрическая принципиальная такой системы.

Главную, регулирующую функцию, в этой системе выполняет одноканальный регулятор ТРМ12, функцию защиты от замораживания – термостат Т2 и промежуточное реле К2, а контроль загрязнения фильтра – дифференциальное реле давления РD и промежуточное реле К3 и сигнальная лампочка HL2. Разработка таких схем, их монтаж и наладка требуют определенных знаний и навыков работы в области схемотехники.

Реализация более сложных систем управления по такому принципу построения в настоящее время практически не осуществляется. Современные САУ в качестве средств управления используют, как правило, электронные цифровые устройства на базе микропроцессоров. По своим техническим возможностям эти устройства позволяют обеспечить управление множеством параметров. Это пуск и остановка отдельных технологических аппаратов и всей системы в целом, блокировка и защита оборудования в аварийных ситуациях, индикация, переход с режима на режим и т. д. Устройства комплексно решающие функции управления и регулирования, называются управляющими контроллерами. При их использовании в большинстве случаев исключается необходимость применения таких элементов автоматики, как реле, преобразователи, переключатели, счетчики, индикаторы, измерительные приборы и т. п. Это в свою очередь позволяет:

§ повысить точность поддержания регулирующих параметров и надежность работы системы;

§ уменьшить габариты средств управления;

§ упростить монтаж и сократить сроки его выполнения;

§ облегчить эксплуатацию системы.

В ряде случаев, за счет перечисленных достоинств, можно уменьшить фактическую стоимость средства автоматики с учетом капитальных и эксплуатационных затрат.

Функциональная схема (рис. 7) автоматизации приточно-вытяжной вентиляции на базе микропроцессорного контроллера (МК) наглядно показывает упрощение схемных решений. Все аппараты и устройства, установленные на объекте, соединены с МК по определенному принципу:

I – входные сигналы (от датчиков и преобразователей);

О – выходные сигналы (на исполнительные механизмы и регулирующие органы);

D – дискретный (импульсный) сигнал;

A – аналоговый (непрерывный) сигнал.

Многие микропроцессорные контроллеры оснащены универсальными входами – IU, которые позволяют подключать датчики и преобразователи с любым видом выходного сигнала (датчики-реле, термосопротивления, унифицированные сигналы 0-10В, 4-20mA и т.п.). Выбор типа необходимого сигнала производится при программировании или настройке МК.

Рис. 8 демонстрирует снижение габаритов устройств управления при применении МК - один типоразмер щита управления для простой системы приточной вентиляцией с одним калорифером на базе релейно-контакторной аппаратуры (а) и для центрального кондиционера с роторным рекуператором на базе управляющего микропроцессорного контроллера (б).

Реализация требуемых функций управления при применении МК осуществляется с помощью программ, разработанных и записанных в память контроллера на основе технологического регламента для данной функциональной и аппаратной схемы обработки воздуха. Метод инсталляции таких программ в МК определяется типом последнего.

Рис. 5. Функциональная схема автоматизации приточно-вытяжной вентиляции на базе релейно-контакторной аппаратуры и измерителя-регулятора температуры.

Рис. 6. Схема электрическая принципиальная автоматизации приточно-вытяжной вентиляции на базе релейно-контакторной аппаратуры и измерителя-регулятора температуры

Рис. 7. Функциональная схема автоматизации приточно-вытяжной вентиляции на базе микропроцессорного контроллера

Рис. 8. Щиты автоматического управления:

а) приточной вентиляцией с одним калорифером на базе релейно-контакторной аппаратуры

б) центральным кондиционером с роторным рекуператором на базе управляющего микропроцессорного контроллера

Из классификации МК, специализированных для СКВ [5], по этому признаку следует выделить три вида управляющих контроллеров. Это – жестко запрограммированные, программно конфигурируемые и свободно программируемые контроллеры.

В первых двух видах МК стандартные функции управления заложены (запрограммированы) изготовителем с жесткой привязкой к одной или нескольким (программно выбираемым) технологическим схемам обработки воздуха. Конфигурация таких контроллеров в части активизации предусмотренных функций управления для типовых, часто встречающихся в инженерной практике систем или настройки их параметров осуществляется с помощью встроенной панели управления со светодиодным (обычно цифровым), либо ЖК дисплеем. Усовершенствовать алгоритм или добавить новую функцию управления в таких МК невозможно.

Наибольшие возможности по реализации требуемых функций управления и удобного сервиса при эксплуатации обеспечивают свободно программируемые контроллеры. Такие контроллеры могут работать только в составе программно-аппаратных комплексов, включающих:

§ непосредственно контроллеры с сопутствующим оборудованием, часть памяти которых выполнена на основе электрически перепрограммируемого запоминающего устройства, с доступом через последовательный порт для программирования;

§ программного обеспечения (ПО), предоставляющего среду разработки управляющих алгоритмов в виде мнемосхем, содержащих функциональные блоки различной сложности, соединённые линиями функциональных связей.

Принцип программирования таких контроллеров схематически показан на рис. 9 на примере МК серии MN и ПО VisiSat фирмы Satchwell (Великобритания).

Рис. 9. Принцип свободного программирования контроллеров на примере МК серии MN и ПО VisiSat фирмы Satchwell (Англия)

Данный подход позволяет квалифицированному инженеру, специализирующемуся на конкретных типах управляемых систем (например, системах вентиляции) и не знакомому с профессиональными языками программирования, создавать собственноручно требуемые алгоритмы управления оборудованием без инженера-программиста. Среда разработки автоматически переводит созданный в графическом виде алгоритм в язык машинных кодов, специфичный для конкретного контроллера, и осуществляет загрузку готового исполняемого кода в контроллер

Библиотека функциональных блоков обычно включает как стандартные (арифметические действия, логика, виды входов и выходов и т. д.) так и специфические для СКВ (вычисление энтальпии, запуск вентиляторов и насосов и т. п.) функции. Задача разработчика состоит в переносе требуемых блоков на рабочее поле МК и их соединение между собой и с входами и выходами контроллера в соответствии с требуемым алгоритмом управляющей функции. При этом недопустимые соединения программа не разрешит или выдаст сообщение об их невозможности. В большинстве программ предусмотрен режим симуляции работы созданного алгоритма, с целью проверки правильности функционирования и выявления ошибок, без подключения к контроллеру.

Существует определенная методологическая последовательность разработки управляющих программ, особенно на стадии освоения ПО для выбранного МК.

Рассмотрим ее на примере разработки программы последовательности пуска центрального кондиционера с роторным рекуператором. Обычно начинают со словесного описания технологического регламента. Для выбранной функции это будет выглядеть так:

1. Определяют опасность замораживания по температуре наружного воздуха (t_нар< 5 °С) и одновременным понижении температуры воды в обратном трубопроводе (t_{обр min} < 20 °С). При достижении указанных значений полностью открывают клапаны, включают циркуляционный насос, и пуск кондиционера блокируется. В нерабочее время клапан остается приоткрытым (5–25 %) при закрытой заслонке наружного воздуха.

2. Открытие 3-ходового регулирующего клапана калорифера и пуск роторного рекуператора;

3. Через 30–60 сек. открытие воздушных заслонок;

4. Через 30–60 сек. включение вытяжного вентилятора для прогрева ротора рекуператора теплым вытяжным воздухом;

5. Через 30–60 сек. включение приточного вентилятора, и работа кондиционера на повышенной уставке с постепенным ее снижением в течение заданного интервала времени при температуре наружного воздуха ниже 12 °С.

Следующий шаг – составление схемы алгоритма (рис. 10), с выделением конкретных действий и логических операций в замкнутом цикле. Например, первым действием должно быть определение наличие команды на пуск кондиционера. Если такая команда поступила, то производится сравнение температуры наружного воздуха и температуры воды в обратном трубопроводе с заданными ограничивающими значениями этих показателей. При отсутствии угрозы замораживания выполняются дальнейшие действия по технологическому регламенту пуска: полное открытие клапанов и включение роторного рекуператора на максимальную скорость и т.д. Таким образом, в схему алгоритма включаются все возможные сочетания условий и их последствий в соответствии с регламентом.

Рис. 10. Схема алгоритма последовательности пуска центрального кондиционера с роторным рекуператором

Рис. 11. Функциональная реализация алгоритма последовательности пуска центрального кондиционера с роторным рекуператором

Уже наличие такой схемы алгоритма позволяет специалисту, имеющему определенный опыт и навыки работы, набирать программу на рабочем поле МК. Специалисту, только осваивающему методику программирования, целесообразно предварительно составить функциональную реализация алгоритма (рис. 11). Это позволяет:

§ определить какие входные и выходные сигналы должны быть задействованы в МК для реализации программируемой функции (например, в нашем случае должны быть задействованы входные сигналы- датчики температуры наружного воздуха и температуры воды в обратном трубопроводе, а также дискретный сигнал пуска кондиционера);

§ в дальнейшем суммируя все входные и выходные сигналы по всем реализуемым функциям управления сделать правильный выбор типоразмера МК для проектируемой системы управления;

§ определить, какие функциональные блоки для реализации программируемой функции необходимы и как они должны быть соединены между собой и с входами и выходами микроконтроллера.

Затем следует ознакомиться с библиотекой функциональных блоков, предусмотренных в ПО выбранного контроллера, найти необходимые, изучить особенности их работы и настройки. После этого набор программы на рабочем поле МК обычно не представляет особых трудностей. Что касается графического изображения функциональных блоков, то в большинстве ПО оно выполнено в виде прямоугольника с надписью названия функции («задание», «и», «или», «ПИ-регулятор», «задержка» и т. д.), что упрощает набор и чтение такой программы. На рис. 12 показан пример программы алгоритма последовательности пуска центрального кондиционера, набранного на рабочем поле МК.

Рис. 12. Пример программы алгоритма последовательности пуска центрального кондиционера, набранного на рабочем поле МК

Далее следует проверить правильность реализации программируемой функции в режиме работы ПО – «симулирование». Если запрограммированная функция часто встречается в практике, а ее реализация отвечает поставленным требованиям, то набранная программа может быть выделена как комплексный функциональный блок и занесена в библиотеку функциональных блоков ПО.

Заключительным этапом программирования является объединение подпрограмм всех требуемых функций управления в единую схему на рабочем поле МК с последующим ее переносом непосредственно в контроллер. Это наиболее трудоемкий и ответственный этап, качество и сроки выполнения которого зависят от квалификации специалиста, т.к. связан с необходимостью минимизации схемных соединений функциональных блоков. Последнее вызвано наличием ограничений в ПО, применяемого контроллера, например, в части количества допустимых линий связи, количества стандартных блоков или замкнутых контуров ПИД-регулирования.

На практике фирмы-инсталляторы средств автоматики в СКВ, особенно занимающиеся внедрением не только САУ, но и АСУ, обычно используют МК только одной торговой марки и естественно с одним ПО. Такой подход позволяет (после наработки определенного количества комплексных функциональных блоков и различных вариантов программ для типовых технологических схем обработки воздуха) значительно сократить сроки проектирования, монтажа и наладки систем управления, упростить их сервисное обслуживание, а также обеспечить получение постоянных значительных скидок и информационной поддержки со стороны дистрибутора или производителя МК и его ПО.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бондарь Е.С. и др. Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха // К.: «Аванпост-Прим», – 2005.

2. СНиП 3.05.07-85 Системы автоматизации.

3. СНиП 2.04.05-91 Отопление, вентиляция и кондиционирование.

4. Солодовников В.В. и др., Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. Учебное пособие для вузов. – М.: Машиностроение, 1985.

5. Гордиенко А.С., Сидельник А.Б., Цибульник А.А., Микропроцессорные контроллеры для систем вентиляции и кондиционирования // С.О.К.-2007, № 4-5.