Автоматизированная система управления микроклиматом жилых помещений. АС управления микроклиматом. Управления

• Название: Управления
• Анкор: Автоматизированная система управления микроклиматом жилых помещений
• Дата: 07.05.2023
• Размер: 2.26 Mb.
• Имя файла: АС управления микроклиматом.docx
• Тип: Документы; #1113826
• страница: 5 из 7

Глава 3. Проектирование прототипа системы управления микроклиматом жилых помещений

3.1. Функциональные модели компонентов прототипа системы управления микроклиматом жилых помещений

Система управления микроклиматом, как правило, состоит из различных подсистем, каждая из которых служит для управления одним из параметров микроклимата таких, как отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха и др. Эти подсистемы разделены технически и поэтому проектируются по отдельности, а в последствие объединяются на информационно-программном уровне.

Разработка системы может быть выполнена в несколько этапов.

На первом этапе расчетным путем выявляются основные особенности здания и системы отопления и вентиляции с теплотехнической точки зрения и ожидаемую эффективность от внедрения системы; формулируют основные положения системы управления, ее структуру, перечень необходимых технических и программных средств; составляют техническое задание на проектирование. На этом этапе могут отсутствовать детальные рабочие чертежи проекта здания и системы отопления.

На втором этапе разрабатывают проект системы управления: определяют технические средства, составляют математическую модель, алгоритмы, прикладное программное обеспечение, разрабатывают дополнительные средства управления системы отопления и вентиляции. Компоненты программного обеспечения необходимо отладить на имитационных моделях. На этом этапе необходимо выполнение значительных научно-исследовательских работ.

На третьем этапе в эксплуатируемом здании с действующим технологическим оборудованием проводят натурные исследования с целью выявления наиболее значимых параметров, необходимых для составления математической и/или функциональной модели.

На четвертом этапе монтируют необходимые технические средства системы управления микроклиматом: датчики, исполнительные механизмы; выполняют пусконаладочные работы. Измерения могут выполняться автоматически, но системы управления будет работать в режиме наблюдения и контроля. На этом этапе завершается отладка основных программ и осуществляется настройка математической модели. Часть программ АСУ ТРП на этом этапе может еще не функционировать.

На завершающем пятом этапе заканчивается создание всей системы управления для работы ее в автоматизированном режиме. Следует отметить, что по времени четвертый и пятый этапы могут быть совмещены.

Рассмотрим, например, функциональную схему подсистемы управления отоплением. Работа средств управления отопительно-вентиляционными системами может быть основана либо на термодинамическом принципе, т.е. на использовании данных о физических процессах тепло- и массообмена, происходящих в помещении, либо на кибернетическом, принципе, когда помещение рассматривается как «черный ящик» и изучается взаимосвязь входных и выходных величин. В основном избирается термодинамический подход, так как он позволяет рассматривать связку «отопительная установка - объект» как взаимосвязанную нелинейную систему с переменной структурой и решать задачу оптимизации. Математическая модель формирования теплового режима здания сводится к составлению уравнений теплового баланса, описывающих воздухообмен, технологические теплопоступления, наружные климатические воздействия, теплопотери через наружные ограждения за счет теплопроводности и фильтрации, теплосодержание технологического оборудования и внутренних ограждающих конструкций. Функциональная модель такой подсистемы изображена на рис. 3.1.

Формирование теплового режима можно представить как взаимодействие возмущающих и регулирующих факторов. К возмущающим факторам относятся теплопоступления через ограждающие конструкции и бытовые теплопоступления.

Р


ис. 3.1. Функциональная модель подсистемы управления отоплением

К регулирующим факторам относится тепловое воздействие отопительных и вентиляционных систем. Представим отопительно-вентиля-ионные системы в виде многомерного объекта, описываемого тремя группами переменных. Первую группу переменных представляют параметры, характеризующие свойства и количество входных элементов. К ним относятся характеристики наружного воздуха, параметры теплоносителя.

Во вторую группу переменных входят параметры, характеризующие свойства выходных элементов. Это, в первую очередь, условия воздушной среды в помещениях, теплоотдача отопительно-вентиляционных систем, а также параметры воды из обратной линии сети теплоснабжения.

Третья группа включает параметры, характеризующие условия протекания процесса передачи тепловой энергии.

В общем случае состояние отопительно-вентиляционных систем характеризуется всеми переменными. Для целей управления из всей совокупности переменных можно использовать лишь часть. Эти переменные можно разбить на две группы. В первую группу включаются переменные, которые можно целенаправленно изменять в процессе управления. Вторую группу составляю переменные, которые можно измерить и использовать при формировании управляющего воздействия, но сами они при этом целенаправленно изменяться не могут. Их необходимо учитывать при управлении, но активно влиять на них невозможно. Из управляемых переменных выбираются в качестве управляющих те, целенаправленное изменение которых технически возможно и существенно влияет на показатели управления.
3.2. Общий алгоритм функционирования системы

Общий алгоритм функционирования системы управления должен представлять собой логическую схему включения в работу различных подсистем в ситуациях, определенных последовательностью частных алгоритмов, выполняющих следующие основные операции:

• 
  получение информации о входных воздействиях на объект управления и о результатах управления;
  
• 
  анализ и обработка полученной информации;
  
• 
  принятие решения;
  
• 
  выдача управляющего воздействия в канал управления.
  

Блок-схема общего алгоритма функционирования системы управления представлена в прил. 1.

Общий алгоритм функционирования системы управления предполагает циклический характер его работы. В начале каждого цикла управления должен происходить опрос датчиков: измеряемых нерегулируемых параметров – температуры и влажности наружного воздуха, скорости и направления ветра, атмосферного давления, солнечной радиации, температуры и давления пара в тепловой сети; измеряемых выходных параметров, характеризующих тепловой режим, – температуры воздуха, относительной влажности воздуха, скорости движения воздуха в жилых зонах; измеряемых выходных параметров, по которым непосредственно или расчетом можно определить эффективность управления, – температуры и давления воды в обратных трубопроводах, расхода теплофикационной воды, расхода электроэнергии; регулируемых параметров, которые могут изменяться соответствующими исполнительными механизмами, – температуры приточного воздуха, температуры воды после подмешивающих насосов, количество приточного воздуха.

Через преобразователи в цифровой форме данная информация поступает в управляющей компьютер. На основе полученной информации соответствующими программными средствами моделируется тепловое поведение здания и оптимизируется требуемое поступление тепла от системы отопления и вентиляции для поддержания заданного теплового режима. При необходимости изменения теплового режима, установленного в предыдущем цикле, вырабатываются необходимые сигналы, которые через концентратор, подстанции и преобразователи поступают на управляющие органы исполнительных механизмов регулирования.

Так как тепловые процессы в помещении в целом изменяются медленно, то ими можно управлять в реальном масштабе времени.

Математическая модель и алгоритм расчета теплового режима помещения, предназначенные для использования в системах управления, по сравнению с моделью для проектирования, имеют определенные особенности. К моделям предъявляется требование высокой точности численного моделирования теплового режима, так как только на этой основе возможно обеспечение качественного управления тепловым режимом.

 Исходным материалом для разработки специализированной модели служит универсальная модель. Можно указать несколько направлений, по которым может быть осуществлено ее «сужение» (до специализированной модели):

• 
  сокращение числа независимых переменных (в задаче управления это входные параметры) путем перевода их в фиксированные параметры расчетной модели. В модели для управления выпадает группа данных, касающихся геометрических размеров помещений здания; группа данных, характеризующих размеры и теплофизические свойства ограждающих конструкций, и многие другие;
  
• 
  совершенствование алгоритма вычислений в направлении сокращения времени вычислений и повышения точности результатов на основе конкретизации постановки задачи. Большая определенность постановки задачи в случае специализированной модели во многих случаях дает возможность использовать более эффективные вычислительные методы;
  
• 
  повышение точности моделирования теплового режима за счет использования экспериментальных данных. Здесь очень много возможностей: от простого введения в расчет в качестве параметров характеристик, полученных при натурных измерениях в данном помещении, до уточнения в результате проведения измерений некоторых допущений в исходной модели. Большое значение имеет введение в расчетную модель уточненных данных, касающихся величины коэффициентов теплообмена на поверхности ограждений. По результатам измерений может быть в значительной мере повышена точность учета теплоаккумулирующей способности оборудования.
  

Разработка математической модели теплового режима помещений для управления состоит из следующих этапов: сбор и обработка исходных данных, включающая изучение проектной документации и особенностей технологических процессов, происходящих в помещении; разработка «точной» математической модели теплового режима помещения и метода ее реализации на основе использования ЭВМ; оценка методом численного эксперимента вклада отдельных составляющих теплового баланса помещения и различных теплотехнических параметров на величину целевой функции; разработка с учетом результатов выполненного численного эксперимента предварительной математической модели теплового режима помещения для управления; обоснование математической модели для управления на основе сопоставления результатов расчета по ней с результатами расчета по «точной» модели; идентификация математической модели по результатам натурных экспериментов; повышение адекватности математической модели в процессе ее функционирования.

Современное здание следует рассматривать как сложную энергопотребляющую систему с многообразием составляющих его элементов, в которых протекают различные по физической сущности процессы поглощения, превращения и переноса энергии. Для построения и реализации математических моделей сложных энергетических объектов используется методология системного подхода. В качестве основных элементов здания как единой теплоэнергетической системы принимаются: совокупность показателей наружного климата, лучистый теплообмен в помещении, конвективный теплообмен в помещении (в том числе с учетом источников тепла), тепло- и массоперенос через ограждающие конструкции, теплоинерционность оборудования, находящегося в помещении, тепловой режим помещения в целом.

Систему элементов и связей, моделирующую тепловой режим помещения, представляют в виде графа, в котором каждому элементу помещения как единой теплоэнергетической системы соответствует вершина графа, а связи между элементами помещения или с внешними элементами – дуга графа.

На рис. 3.2 построен подобный граф, в котором вершинам соответствуют следующие элементы помещения: 1 – наружное ограждение; 2 – внутреннее ограждение; 3 – заполнение светового проема; 4 – внутренний воздух;  5 – вентиляция; 6 – внутреннее оборудование. Рёбрам этого графа соответствуют связи с внешними или внутренними элементами помещения: 2, 4, 6, 18 – теплообмен конвекцией между внутренними поверхностями ограждения, а также между поверхностью оборудования и внутренним воздухом; 3, 5, 7 – потоки тепла за счет фильтрации через ограждения;  9, 10, 11,  12, 13, 14 – лучистый теплообмен внутренних поверхностей ограждений между собой, а также с оборудованием; 16 – конвективное тепло, непосредственно передаваемое воздуху помещения; 1, 8, 15, 17 – связи между элементами помещения и внешними элементами.

Р
ис. 3.2. Граф теплового баланса помещения.

Наличие на рёбрах графа двух чисел отражает наличие двух связей, осуществляемых при помощи разных способов передачи энергии.

Использование графовой модели теплового режима помещения при известных числовых параметрах его рёбер позволяет оптимизировать некоторые критерии модели, такие как длина коммуникаций или поток на рёбрах.
3.3. Система автоматизации и управления зданиями HDL

Рассмотрим принципы функционирования систем управления микроклиматом жилых помещений на примере разработки компания HDL [5], которая в настоящее время является основным разработчиком технологий для системы «Умный дом». Преимуществом ее технологий по сравнению с другими производителями является ее надежность, обеспечиваемая отсутствием центрального процессора, т.к. в этой системе каждый элемент является самостоятельно программируемой единицей. Это означает, что эксплуатация системы становится намного эффективнее, потому что выход из строя одного элемента никак не нарушает ни работу других, ни системы в целом. Многофункциональность при этом не только не страдает, но и остается на очень высоком уровне реализации.

Система имеет удаленное управление благодаря 24-м полностью настраиваемым командам в SMS-интерфейсе [6]. Также система сама может отсылать до 99 SMS, каждое на 10 номеров с различными предупреждениями.

При использовании современных смартфонов или планшетов применяется программное обеспечение, которое позволит контролировать все системы дома при помощи мобильного устройства.

В качестве подсистемы системы управления микроклиматом рассмотрим схему системы отопления, приведенную в прил. 2. Управление данной системой производится 6-канальным контроллером управления отоплением HDL-MFH06.432, электропитание которого осуществляется источником питания 24V SB-DM-PS2.4A. Контроллер управления соединен с календарным таймером SB-DN-Logic960, который через TCP/IP шлюз SB-DN-11P связан с Wi-Fi роутером для удаленного управления системой. Все настройки и регулировка отопления производится через сенсорную панель, которая может размещаться в любом месте отапливаемого дома.

Информация о температуре в помещениях поступает в контроллер управления от термодатчиков воздуха и пола DS18820. В зависимости от полученных значений и в соответствии с настройками календарного таймера контроллер управления выдает управляющие воздействия на устройство управления приводами отопления. Данное устройство в зависимости от полученной команды увеличивает или уменьшает подачу тепла в систему отопления.

На основании приведенного описания построим схему движения информационных потоков в подсистеме отопления (рис. 3.3).

На данной схеме информационные потоки между устройствами управления, связи и датчиками показаны сплошной линией. Прерывистая тонкая линия соответствует движению теплоносителей в системе отопления.

Система управления микроклиматом в жилом помещении может являться частью более общей системы управления квартирой. Интерфейс такой системы управления квартирой показан в прил. 3. Подобная система кроме управления микроклиматом контролирует различные аспекты безопасности жилого помещения от несанкционированного доступа до противопожарной безопасности.




Рис. 3.3. Схема движения информационных потоков.

Рассмотрим интерфейс программной реализации подсистемы управления отоплением разработки HDL.

На первом рис. в прил. 4 показано окно программы в котором производятся настройки до четырех объектов управления, т.е. комнат (выделено). Система имеет большое количество настраиваемых параметров: температура помещения днем и ночью, время включения и выключения отопления, скорость нагрева, промежуток времени между замером температуры и др. При этом можно использовать как собственный системный датчик температуры, так и подключаемый внешний, для чего необходимо заполнить идентификатор внешних устройств.

На втором рис. в прил. 4 выделена область настроек параметров подогреваемого пола. Настройку можно производить с учетом внешней температуры, которая измеряется системным либо подключаемым датчиком. Подогрев пола будет автоматически выключен, если температура пола превысит максимально заданную. Это может произойти, например, в связи с увеличением внешней температуры.

Большое количество настраиваемых параметров позволяет предусмотреть всевозможные варианты отопления и регулировок. Например, если указано наличие маленьких детей в доме, температура никогда не будет опускаться ниже минимально необходимой даже при попытке ее принудительного уменьшения.