Технические средства управления в подсистеме мониторинга и анализа микроклимата в помещениях учебного заведения. курсовая по Хоконову. Курсовая работа По дисциплине Технические средства автоматизации и управления На тему Технические средства управления в подсистеме мониторинга и анализа микроклимата в помещениях учебного заведения
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.Х.М. БЕРБЕКОВА» ИНСТИТУТ ИНФОРМАТИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Курсовая работа По дисциплине: «Технические средства автоматизации и управления» На тему: «Технические средства управления в подсистеме мониторинга и анализа микроклимата в помещениях учебного заведения».Выполнила: Студентка 4 курса ИТвУТС З.В. Лампежева Руководитель: Х.Л. Хоконов Нальчик 2017г СОДЕРЖАНИЕ1.1. Краткая характеристика развития систем управления микроклиматом жилых и промышленных помещений…………………. 1.2. Анализ существующих технических решений и подсистем по разрабатываемой проблеме………… 1.3. Анализ предметной области…………………………… 1.4. Выбор среды реализации……………………. 1.5. Обоснование выбора среды реализаций………………….. Введение К современным зданиям и сооружениям предъявляются повышенные требования с точки зрения комфортности и здоровых условий среды обитания человека, а также экономичности их эксплуатационных режимов. В настоящее время актуальна задача повышения качества функционирования систем управления климатическими параметрами воздушной среды, а также, снижения затрат на энергоресурсы за счет внедрения современных автоматизированных технологий регулирования микроклимата в общественных и производственных помещениях. Согласно статистике, около 35-40% энергоресурсов страны идут на отопление и горячее водоснабжение. Цифра не маленькая, а это значит, что снижение потребления энергии только по этим двум пунктам ведет к существенному повышению уровня энергобезопасности в целом. Данная работа будет нацелена на оборудовании системой автоматизированного регулирования климата десятого корпуса КБГУ, Института информатики, электроники и компьютерных технологий. В данном случае, работа будет проходить на основе современного аппаратно – технического и программного обеспечение по созданию благоприятных условий проведения учебного процесса, обеспечении безопасности пребывания и значительному снижению материальных расходов на энергоресурсы. 1.1 Краткая характеристика развития систем управления микроклиматом жилых и промышленных помещений Вентиляция, кондиционирование, отопление и теплоснабжение — важнейшие инженерные коммуникации на любом объекте — жилом или промышленном. От правильности их проектирования и монтажа во многом зависит комфорт нахождения людей в здании и их жизнедеятельности. Существующие виды систем отопления различаются между собой как по конструктивным особенностям, так и по типу теплоносителя: Водяное отопление. Одна из самых эффективных и комфортных систем, дешевая в монтаже и простая в эксплуатации. Хорошо подходит для жилого здания. Паровое отопление. При всей своей высокой эффективности применение системы несколько ограничено из-за ее недостатков. Чаще всего используется для отопления производственных помещений. Воздушное отопление. Применяется в тех случаях, когда проектом предусматривается совмещение системы теплоснабжения и вентиляции. Так же, как и предыдущий вид, чаще используется для производственных помещений, но может играть роль тепловой завесы в гражданском здании. Панельно-лучистое отопление. По санитарным и гигиеническим показаниям эти системы самые комфортные. Основной их недостаток — значительные затраты на сооружение и недостаточная надежность. По этим причинам они используются крайне редко. Электрическое отопление. Монтаж такой системы рационален только для жилых и производственных помещений, расположенных в непосредственной близости (не более 100 км) от ГЭС. В остальных случаях использовать такие системы можно только в качестве альтернативных. Печное отопление. Несмотря на крайне низкую эффективность, печное отопление и по сей день распространено в деревенских домах. Проектирование любой системы теплоснабжения начинается с комплексного обследования здания, что позволяет определить общие теплопотери в результате его эксплуатации. На основе полученных данных рассчитывается эффективное энергораспределение тепла от радиаторов. Проведение таких расчетов позволяет в дальнейшем правильно разместить в помещении приборы и радиаторы для равномерного распределения тепла. На основе расчетов также выбирается оптимальный тип отопительных приборов. При проведении расчетов учитываются тепловые нагрузки на все элементы, входящие в систему теплоснабжения объекта. Например, для жилого здания это могут быть теплые полы, подогрев кровли и т.п. Для производственных помещений— тепловые завесы. На этом же этапе подбирается оптимальная конфигурация оборудования. К 1917 году в России многие доходные дома, в основном элитные, оснащались системами водяного и парового отопления. Подача тепла в дом осуществлялась от котельной, расположенной в подвале или пристройке. В то же время, значительная часть городских зданий и все индивидуальные дома в городах, селах и деревнях отапливались печами на дровах или иных местных видах топлива. Широкое внедрение систем центрального отопления началось в эпоху индустриализации СССР и сопутствующей ей урбанизации. В это время формируются основные черты систем центрального отопления, которые действуют в России по настоящее время. При вновь возводимых промышленных предприятиях строятся жилые районы («соцгородки») с многоквартирными домами, оснащенными радиаторами водяного отопления. Наиболее эффективным вариантом было признано центральное отопление от теплоэлектростанцией (ТЭЦ), при котором реализуется совместная выработка тепла и электроэнергии (когенерация). Распространенными видами топлива в то время были каменный и бурый уголь, торф, мазут и дрова. Центральное отопление позволяло повысить эффективность использования топлива, улучшить экологическую обстановку в городах и избавить население от заботы об отоплении жилищ. К началу 1950 - х годов большинство сталинских домов были оснащены системами центрального водяного отопления, которые подключались к котельным промышленных предприятий, ТЭЦ или небольшим районным котельным. При невозможности подключения к центральному отоплению отдельные дома имели собственные котельные, а некоторые малоэтажные дома проектировались с вариантом печного отопления. Окончательное внедрение центрального отопления многоквартирных домов произошло с началом массового жилищного строительства хрущевок. Наряду с подключением домов к ТЭЦ и котельным предприятий, в новых жилых массивах возводились районные котельные. С середины 1960 - х по начало 1990 - х развитие систем отопления в СССР шло в направлении дальнейшей централизации. Небольшие котельные закрывались, а дома подключались к крупным котельным и ТЭЦ. Проводились закольцовывание систем отопления и внедрение закрытой системы теплоснабжения с тепловыми пунктами. С начала 1960-х котельные и ТЭЦ с местных видов топлива массово переходят на более удобное и экологичное — магистральный природный газ. С ходом газификации населенных пунктов индивидуальные жилые дома в городах и сельской местности также начинают переходить на водяное отопление с использованием газовых котлов. Этот процесс продолжается и сегодня. В 1980-е планировалось внедрение отопления с использованием атомной энергии: атомные теплоснабжающие станции (АСТ) в Воронеже и Горьком, атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ) в Харькове и Одессе. Однако после Чернобыльской аварии все проекты были остановлены. После распада СССР, наряду с развитием центрального отопления, происходит и иной процесс— распространение местного отопления. Этому способствуют дешевизна и распространенность магистрального природного газа, появление недорогих автоматических газовых котлов и нестабильное функционирование систем центрального отопления. Во вновь возводимых многоквартирных жилых домах применяются домовые котельные, устанавливаемые на крыше или в пристройке. В домах малой и средней этажности также применяются поквартирные системы водяного отопления с помощью настенных газовых котлов. Современные системы отопления имеют принципиально иной подход к регулированию по сравнению с «классическими». Это не процесс наладки перед пуском, с последующей работой в постоянном гидравлическом режиме — это системы с постоянно изменяющимся тепловым и гидравлическим режимами в процессе эксплуатации, что соответственно требует автоматизации систем для отслеживания этих изменений и реагирования на них. К примеру, изменение теплового режима зависит от способности терморегулятора изменять расход тепловой энергии на нагревательные приборы в системе отопления путём изменения гидравлического режима. Это изменение вызывает цепную реакцию других систем. 1.Общие сведения о датчикахДатчик – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и/или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Датчики, выполненные на основе электронной техники, называются электронными датчиками. Отдельно взятый датчик может быть предназначен для измерения (контроля) и преобразования одной физической величины или одновременно нескольких физических величин. В состав датчика входят чувствительные и преобразовательные элементы. Основными характеристиками электронных датчиков являются чувствительность и погрешность. Датчики широко используются в научных исследованиях, испытаниях, контроле качества, телеметрии, системах автоматизированного управления и в других областях деятельности и системах, где требуется получение измерительной информации. Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину в сигнал (электрический, пневматический и оптический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений. 1.1 Применение датчиков Датчики используются во многих отраслях экономики –добыче и переработке полезных ископаемых, промышленном производстве, транспорте, коммуникациях, логистике, строительстве, сельском хозяйстве , науке и других отраслях – являясь в настоящее время неотъемлемой частью технических устройств. В последнее время в связи с удешевлением электронных систем все чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Датчики по своему назначению и технической реализации близки к понятии « измерительный инструмент». Однако показания приборов воспринимаются человеком, как правило, напрямую ( посредством дисплеев, табло, панелей, световых звуковых сигналов и т.д.), в то время как показания датчиков требуют преобразования в форму, в которой измерительная информация может быть воспринята человеком. Они могут входить в состав измерительных приборов, обеспечивая измерение физической величины, результаты которого затем преобразуются для восприятия оператором измерительного прибора. В автоматизированных системах управления датчики могут выступать в роли инициирующих устройств, приводя в действие оборудование, арматуру и программное обеспечение. Показания датчиков в таких системах, как правило, записываются в запоминающее устройство для контроля, обработки, анализа и вывода на дисплей или печатающее устройство. 1.2Датчики температуры Датчики комнатной температуры предназначены для измерения и регулирования температуры внутри помещений в сфере HVAC (отопление, вентиляция и климатизация). Температурный сигнал может быть как с активным, так и с пассивным выходом (Класс А или Класс В). Комнатные датчики температуры делятся на пассивные и активные:Пассивные датчики представляют собой терморезистивный элемент, сопротивление которого изменяется под действием температуры. Существуют элементы как с положительной температурной зависимостью (PTC), сопротивление которых увеличивается с ростом температуры, так и элементы с отрицательной температурной зависимостью (NTC), сопротивление которых уменьшается с ростом температуры. Классическим примером первой группы датчиков являются датчики с элементами Pt100, Pt1000, Ni1000, Ni1000Tk5000 и др. Датчики, принадлежащие ко второй группе, имеют общее название NTC с указанием сопротивления сенсора при температуре 25 °C, например, NTC1.8K, NTC10K, NTC20k и др. Выбор типа температурного сенсора определяется типом контроллера к которому будет подключаться данный датчик, а точнее возможностью его цифровых входов. Активные датчики для измерения температуры также используют терморезистивный элемент, но при этом имеют встроенный электронный преобразователь, который преобразует резистивный сигнал в сигнал 0-10 В или 4...20 мА, пропорциональный температурному диапазону 0...50 °C. Такие датчики требуют наличие питания 24 В.
2.Анализ известных решенийСостояние здоровья человека, его работоспособность в значительной степени зависят от микроклимата на рабочем месте. Не имея возможности эффективно влиять на протекающие в атмосфере климатообразующие процессы, люди располагают качественными системами управления факторами воздушной среды внутри производственных помещений. Микроклимат производственных и жилых помещений – это климат внутренней среды данных помещений, который определяется фактором, совместно действующими на организм человека - температурой, относительной влажностью и скоростью движения воздуха. На сегодняшний день эта тема очень актуальна. Одним из важнейших условий нормальной жизнедеятельности человека, при выполнении профессиональных функций, является сохранение теплового баланса организма. При значительных колебаниях различных параметров производственного микроклимата, это условие оказывает существенное влияние на состояние теплового обмена между человеком и окружающей средой. Управление климатом в зданиях и сооружениях включает работу с вентиляционными установками, кондиционерами, системой отопления, различными измерительными устройствами и регулирующим оборудованием. Проблему управления климатом в помещениях обычно решают установкой системы климат - контроля. Системы климат-контроля используются для обогрева и охлаждения жилых и коммерческих зданий. Эти системы являются частью системы отопления, вентиляции и кондиционирования здания. В зависимости от размеров и функционального назначения здания, есть несколько различных типов систем климат-контроля, которые могут использоваться. В зависимости от поставленных задач, реальные проекты системы климат — контроля могут включать в себя разный набор оборудования.  Рис.1 Оборудование, используемое для изменения параметров микроклимата Самыми простыми и наиболее распространенными считаются обыкновенные кондиционеры. Однако кондиционер не способен должным образом обеспечить приток чистого воздуха в помещение, поэтому недостаточно эффективен. В связи с этим, для того чтобы загрязненный воздух выводился из помещения, вместе с кондиционером монтируют систему вентиляции освобождая пространство для очищенного.Системы вентиляции и кондиционирования используются для улучшения комфорта здания, для того чтобы повысить производительность и сохранить строительные компоненты. В настоящее время в мире появились очень много простых и удобных систем для дома и жилых помещений. К примеру, «Умный дом», т.е. современный дом, оборудованный новейшими высокотехнологическими устройствами.   Рис.2 Проекция «Умного дома» Все бытовые электроприборы объединены в «Умном доме» в единую домашнюю сеть. Такой дом имеет ряд преимуществ: позволяет экономить до 10 – 18 % электроэнергии, повышать комфорт и безопасность. Но такой дом так же имеет недостатки. Первым, и основным, недостатком "Умного дома" являются высокая стоимость оборудования, его монтажа и обслуживания. Этот аспект многократно перекрывает затратами весь эффект от экономии энергоресурсов, обозначенных в преимуществах систем "Умного дома». Стоит отметить, что существует опасность выхода из строя дорогостоящего оборудования и возможные неудобства при необходимости проведения его ремонта и обслуживания. Умный дом - это встроенные в дом автоматические системы: отопление, энергоснабжение, освещение, водоснабжение, вентиляция, электроприводы и т.д. В таком доме различные системы работают согласованно. Такие системы очень распространены в зарубежных странах, также они дошли и до нас. Например, если у вас открыто окно, то кондиционер не будет работать, или же если во двор проник чужой человек, то сразу же загорается свет. Также, если в комнатах изменилась температура, то автоматически заработает камин или же наоборот, отопление выключится. Поддержание правильной температуры и условий внутри здания требует специального оборудования и его технического обслуживания. В более крупных структурах, центральное отопление и системы охлаждения используют ряд воздуховодов для передачи воздуха по всему зданию. Воздух охлаждается или нагревается в агрегате, затем распределяется в каждую комнату через вентиляционные отверстия или решетки. В небольших зданиях, может быть использована индивидуальная система отопления и охлаждения. Эти системы могут состоять из простых обогревателей или из системы кондиционирования воздуха.    Рис.3 Системы кондиционирования и отопления Эффективные системы климат-контроля также должны учитывать требования к вентиляции. В больших и малых зданиях, вентиляция может быть естественной или механической. Естественные системы вентиляции включают в себя воздухозаборные жалюзи, открывающиеся окна, и другие компоненты. Хотя эти системы являются недорогими в эксплуатации, они, как правило, приводят к ухудшению уровня энерго- эффективности в целом. Механические системы вентиляции связаны с климатическим оборудованием и сетями воздуховодов. Механические системы вентиляции могут быть вытяжными, приточными и приточно-вытяжными. Соответственно, работают на утилизацию загрязненного воздуха, приток свежего или и то, и другое вместе. Принудительная вентиляция может быть канальной и бесканальной. Примером простейшей вытяжной механической вентиляции является кухонная вытяжка или вентилятор в ванной комнате, встроенный в воздуховод  Рис.4 Механическая вентиляционная система Основу подсистемы управляющего комплекса климатом обычно составляют следующие элементы: Модуль управления; Сенсорная панель контроля и управления оператора с оригинальной программой управления; Первичные датчики (датчики температуры, влажности); Электропривода воздушных клапанов (заслонок), вентиляторы, обогреватели, увлажнители, озонаторы; Кабель информационный и GSM-модем; Электрощит аварийный с автономным источником питания. «Мозговым центром» системы обычно является модуль управления. Панель отображает параметры режимов (холодно, тепло), показания датчиков (температуры, влажности), расчетные и реальные значения системы. Оператор имеет возможность устанавливать, корректировать, следить за режимами работы исполнительных устройств, наблюдать изменения показаний датчиков, получать информацию о работе отдельных элементов и системы в целом. Ни один проект по автоматизации системы климат – контроля не обходится без датчика температуры, главная задача которого – с точностью выдавать температуру требуемого объекта, это может быть как воздух в помещении, так же охлаждающая жидкость. Большинство систем климат-контроля в крупных зданиях, контролируются с помощью программного обеспечения. Данные мониторинга эффективности системы, с помощью компьютерной программы, позволяют операторам контролировать уровни отопления и охлаждения. Все эти системы и оборудования довольно дорогостоящие и потребует высоких затрат при эксплуатации. Такое оборудование потребляет очень большое количество электроэнергии. В данном случае нужна подсистема управления климатом, которая потребует относительно небольших затрат при установке и обслуживании, обладающая высокой экономической эффективностью. 3.Анализ предметной областиУже в прошлом веке с развитием цивилизации электроэнергетика все больше становилась инфраструктурной отраслью, определяя многие стороны общества. С особой наглядностью это проявляется в жизни современных городов. Энергопотребление и особенно электропотребление становятся в один ряд с водопотреблением, потреблением воздуха и солнечного света. Крупные города, как места массового пребывания людей, концентрации промышленности, центров управления всеми видами жизнедеятельности и коммуникациями, имеют развитую энергоемкую систему жизнеобеспечения, которая включает централизованное электро- и теплоснабжение, котельные, инженерные газовые сети, сети водопровода, канализации, и т.д. На цели теплоснабжения в нашей стране затрачивается около 40% суммарной потребности народного хозяйства в ограниченном топливе. Увеличение теплопотребления на уровне 1988г. в стране достиг порядка 3,8 млрд. Гкал тепловой энергии. Увеличение строительства жилья в городах и поселках городского типа, а также повышение степени благоустройства жилых домов и образовательных учреждений ведет к централизации теплоснабжения, при которой установки, производящие и потребляющие тепловую энергию территориально удалены друг от друга. Небольшую долю в балансе покрытия тепловых нагрузок составляют источники вторичных энергоресурсов(4%). Незначительная часть тепловой энергии вырабатывается на атомных источниках, геотермальных источниках и за счет использования электроэнергии. Одна четвертая часть тепловой энергии производится на мелких котельных, работающих, как правило, с низким КПД (порядка 0,5 – 0,7). Следует отметить, что главная проблема с теплоснабжением и электроснабжением заключается в том, что в городах затрачивается намного больше энергии, чем в небольших поселках и деревнях. Эту проблему пытаются решить некоторыми способами. Например, на основе сотовой связи GPS модемов, где используются сим-карты для регулирования состояния микроклимата. Этот способ эффективен при управлении небольшими объектами. Но когда имеется дело с более крупными объектами, к примеру, с образовательными учреждениями, или офисами, данный метод не работает. Среда, в которой человек существует, как в собственной «квартире», носит название микроклимат. С научной точки зрения микроклимат – это комплекс физических факторов внутренней среды помещений, оказывающий влияние на тепловой обмен организма и здоровье человека. К микроклиматическим показателям относятся температура, влажность и скорость движения воздуха, температура поверхностей конструкций, предметов, оборудования, а также некоторые их производные: градиент температуры воздуха по вертикали и горизонтали помещения, интенсивность теплового излучения от внутренних поверхностей. Если все эти параметры находятся в норме, то у человека не возникает никаких ощущений дискомфорта, не чувствуется ни жары, ни холода, ни духоты. Комфортные микроклиматические условия – это сочетание значений показателей микроклимата, которые при длительном воздействии на человека обеспечивают нормальное тепловое состояние организма при минимальном напряжении механизмов терморегуляции и ощущение комфорта не менее чем у 80% людей, находящихся в помещении. Однако, при кажущейся простоте и понятности, именно нарушения микроклимата являются самыми частыми среди всех нарушений санитарно – гигиенических норм. Микроклимат помещений больших зданий формируется в результате воздействия внешней среды, особенностей постройки здания и систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Особенно сильно воздействуют на человека тепловые условия и состав воздуха в помещениях. В воздухе, вдыхаемом человеком, может быть превышена концентрация пыли, паров, вредных газов, углекислоты. Особенности микроклимата каждого помещения формируются под влиянием потоков воздуха, влаги и тепла. Воздух в помещении постоянно находится в движении. С улицы в помещение попадает, как правило, охлаждающий воздух, а из соседних помещений – загрязненный газовыми примесями. Таким образом, в воздухе могут постоянно курсировать любые химические соединения, отравляя здоровье человека. Воздействие комплекса микроклиматических факторов отражается на теплоощущение человека и обусловливает особенности физиологических реакций организма. Жизнедеятельность каждого индивидуума сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду. Ее количество зависит от степени физического напряжения, то есть энергозатрат в определенных климатических условиях составляет от 50 Вт в состоянии покоя до 500 Вт при физических нагрузках. Нарушение теплового баланса может привести к перегреву либо к переохлаждению организма и, как следствие, к потере трудоспособности, быстрой утомляемости, потере сознания и тепловой смерти. Переносимость человеком температуры и его тепловые ощущения в значительной мере зависят от влажности и скорости окружающего воздуха. Чем больше относительная влажность, тем меньше испаряется пот в единицу времени и тем быстрее наступает перегрев тела. Недостаточная влажность воздуха также может оказаться неблагоприятной для человека вследствие интенсивного испарения влаги со слизистых оболочек, их пересыхания и растрескивания, а затем и загрязнение болезнетворными микроорганизмами. Кроме этого, существует еще один фактор микроклимата, называемый освещением. Освещение обеспечивает связь с окружающей средой, обладает высоким биологическим и тонизирующим действием. Установлено, что как при низком, так и при слишком высоком уровне освещенности быстро утомляются органы зрения – глаза. Санитарные нормы оптимального микроклимата, в жилых помещениях, дифференцирующие теплый и холодный период года, приведены в Таблице 1. Таблица 1. Санитарные нормы оптимального микроклимата
Допустимые санитарные нормы микроклимата в жилых помещениях приведены в Таблице 2. Таблица 2. Допустимые санитарные нормы микроклимата
Сейчас существует возможность сконструировать специальное устройство - модуль, к которому подключены датчики различного типа, ( к примеру, датчики температуры, влажности, пожарной сигнализации и т.д.), профессиональное измерение микроклимата в помещении. Это обследование дает возможность понять, какова микроклиматическая обстановка в помещениях и существует ли угроза здоровью находящихся в ней людей. Получив сведения об уровне эффективности работы систем вентиляции и отопления помещений в учреждениях или жилых помещениях, каждый человек имеет возможность повлиять на микроклимат в собственной квартире или доме. ЛитератураСНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование». Сборник статей под редакцией В. Г. Семенова. Часть 3. Вклад русских инженеров в науку и технику отопления — Издательство «Новости теплоснабжения». Москва 2003. Квартирное отопление // Краткая энциклопедия домашнего хозяйства. — М.: Государственное Научное издательство «Большая Советская энциклопедия», 1959. Отопление // Краткая энциклопедия домашнего хозяйства. — М.: Государственное Научное издательство «Большая Советская энциклопедия», 1959. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
