ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОТЕЛЬНОЙ

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF THE ARCHITECTURE OF THE INFORMATION CONTROL SYSTEM OF THE BOILER ROOM

Viktor Vasyliv

Student, Department of Business - Informatics, Moscow Technical University Communications and Informatics (MTUSI),

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Для мониторинга и контроля параметров работы электрических котлов необходим выезд сервисного специалиста к месту расположения оборудования. Высокие затраты на топливо - смазочные материалы для регулярных рейсов. Отсутствует постоянный контроль за работой оборудования и системы. Своевременное реагирование на чрезвычайные ситуации отсутствует. В большинстве случаев неисправность котельной обнаруживается только тогда, когда температура в помещениях здания снижается. Что приводит к дорогостоящему ремонту и восстановлению системы отопления зимой. В данной статье рассмотрены исследование и разработка архитектуры информационной системы управления котельной.

ABSTRACT

To monitor and control the operation parameters of electric boilers, a service specialist must visit the location of the equipment. High fuel costs - lubricants for regular flights. There is no constant monitoring of the operation of the equipment and system. There is no timely response to emergencies. In most cases, the malfunction of the boiler room is detected only when the temperature in the premises of the building decreases. Which leads to costly repairs and restoration of the heating system in winter. This article discusses the research and development of the architecture of the boiler house information management system.

Ключевые слова: разработка, архитектура, система, управление.

Keywords: development, architecture, system, management.

Со всем шумом, окружающим создание Интернета вещей, систем автоматизации зданий и сетевых элементов управления с искусственным или продвинутым интеллектом, менеджер объекта может предположить, что эти варианты всегда предпочтительнее автономных систем управления котлом. Но это не так. Автономные системы управления котлами предлагают широкий спектр возможностей, которые отвечают потребностям многих объектов при меньших затратах, чем более передовые цифровые технологии.

У многих руководителей компаний есть веские причины воздерживаться от внедрения более передовых технологий управления котлами. Некоторые из их проблем включают:

Безопасность: изоляция объектов в киберпространстве не допускает кибер-плохих парней.

Простота: Многие объекты не нуждаются в сложном управлении и могут надлежащим образом контролироваться и контролироваться независимыми операторами на месте.

Жизненный цикл управления: чтобы избежать устаревания, сложные сетевые элементы управления часто требуют дорогостоящих постоянных обновлений.

Затраты на консультации, закупки, установку, обучение персонала и постоянный мониторинг: часто просто нет окупаемости по сравнению с тщательно подобранными автономными средствами контроля.

Вопреки здравому смыслу, некоторым из более крупных котельных требуется как можно меньше подключений, поскольку у них есть операторы на месте, которые постоянно обучаются конкретным способам повышения производительности установки. Часто небольшие объекты больше всего выигрывают от дистанционного мониторинга и вмешательства, и менеджерам объектов необходимо подробно изучить каждое учреждение, чтобы определить, в каком направлении двигаться.

Автономное управление котлом бывает нескольких типов. Они могут быть легко подключены к BAS с помощью команд включения/выключения (вкл.) механического реле и могут управляться входами датчиков, подключенными через оборудование управления DDC, но их нельзя регулировать удаленно, а их внутренние данные (если они их содержат) не могут быть считаны непосредственно внешними устройствами [1].

Существует три основные категории автономных систем управления котлом. Вот что администраторам объектов необходимо знать о каждом из них.

Основные элементы управления.

Независимые базовые элементы управления обычно добавляют устройство «рабочей» температуры в качестве внешнего управляющего слоя. Распространенными примерами являются различные котлы, которые все еще доступны с простыми электромеханическими переключателями включения/выключения, управляемыми температурой, которые позволяют включать и выключать котлы при фиксированной температуре ниже предельной температуры. Эти органы управления могут иметь или не иметь возможность управлять котлом или системными насосами с помощью механических реле.

С этого момента уровень сложности повышается до электронного управления, которое может использовать внешний датчик и программное обеспечение для регулировки выходной температуры в зависимости от погоды. Некоторые добавляют внутренний датчик для дальнейшей оптимизации температуры подачи в соответствии с требованиями здания.

Элементы управления, добавляющие модуляцию горелки или несколько ступеней котла, стали очень популярными в стремлении к повышению эффективности, особенно в зданиях с сильно изменяющимися нагрузками, таких как здания со многими активными зонами. Эти элементы управления обычно включаются с помощью одного входа, который может поступать от одного термостата, комбинированного многозонного входа, вплоть до входа зажигания BAS. После включения органы управления управляют котлом в соответствии с конструкцией до тех пор, пока не сработает сигнал зажигания.

Автономное управление позволяет операторам и обслуживающему персоналу легко изменять режим работы котла на месте, и их переопределение обычно довольно просто во время аварийных ситуаций и процедур технического обслуживания. Это может быть преимуществом, а может и не быть, в зависимости от того, у кого есть доступ в котельную [2].

Интеллектуальные элементы управления.

Автономные интеллектуальные элементы управления начали появляться около 25 лет назад, когда в архитектуре котла появились электронные цифровые элементы управления. Они расположены за пределами базовой схемы безопасности котла и имеют то преимущество, что могут собирать и записывать данные, а также реагировать на внутренние сбои. Большинство современных моделей оснащены ЖК-дисплеем или светодиодным дисплеем, и многие из них теперь имеют пользовательский интерфейс с сенсорным экраном для удобства программирования пользователями [4].

Автономные интеллектуальные элементы управления могут быть оснащены датчиками и цифровыми входами, а в некоторых случаях управлять ограниченными функциями безопасности с помощью сенсорного ввода. Они также могут быть оснащены механическими или аналоговыми электронными выходами, но не имеют реальных возможностей цифровой связи.

Данные, которые они содержат, могут быть прочитаны только через их собственные экраны пользовательского интерфейса, но все же их функциональность может быть весьма впечатляющей. Длинный список функций, включая сообщения об ошибках с сигнальными выходами, журналы данных, диагностические функции, исторические тенденции, такие как часы использования, сервисные сообщения, — вот некоторые из популярных опций. Они также могут обеспечивать интегрированную работу циркуляционных насосов, установку нескольких котлов и простой интерфейс с другими устройствами отопления, охлаждения и вентиляции.

Есть несколько известных производителей, которые производят дополнительные цифровые элементы управления для вторичного рынка котлов или в качестве опций, поставляемых OEM, но все чаще производители котлов разрабатывают свои собственные элементы управления самостоятельно или в партнерстве со сторонним разработчиком и поставляют их предварительно установленными как часть пакета котла. Некоторые из этих элементов управления имеют возможность посылать аналоговый сигнал на элемент управления BAS, чтобы легко контролировать уровни рассеивания тепла, и многие из них имеют цифровой аварийный вывод для оповещения системы BAS о сбое [3].

Управление котлом/системой.

Автономное управление котлом/системой использует базовое интеллектуальное управление, только что описанное, и расширяет его охват за пределы котельной до остальной части здания. Обладая всеми уже перечисленными функциями, производители систем управления воспользовались тем фактом, что интеллектуальные элементы управления могут быть оснащены любым количеством входов и выходов, и начали передавать информацию из остальной части здания в систему управления котлом либо напрямую, либо путем настройки дополнительных вспомогательных элементов управления. Эти элементы управления могут управлять всеми системными насосами в здании, считывать температуру в помещении и управлять клапанами и насосами зоны на основе этих входных данных температуры, а также устанавливать отдельные термостаты или датчики помещения.

Многие модели потребления конденсационных котлов с модулятором теперь имеют встроенные элементы управления со всеми входами и выходами, которые могут потребоваться для небольших жилых помещений. Некоторые котлы, предназначенные для легкой коммерческой промышленности, также могут быть заказаны с автономными возможностями управления системой, но, как правило, используют дополнительные модули для расширения их функциональности, а не пытаются упаковать все в один элемент управления. Эти системы работают очень хорошо, могут предложить сложный уровень внутренней системной интеграции по выгодной цене и являются предпочтительным выбором многих владельцев зданий, но удаленный доступ ограничен. Обучение персонала по-прежнему необходимо для того, чтобы иметь возможность в полной мере воспользоваться всеми преимуществами, которые могут предложить эти средства контроля.

Целью автоматизации является котельная с котлами типа КВГ-6,5. Котельная предназначена для отопления промышленных и жилых зданий, а также объектов социально-культурного назначения. Котельная оснащена тремя водогрейными котлами КВГ-6,5 (рис. 1) [5].

Рисунок 1. Технологическая схема водогрейной котельной

Котел — это теплопередающее устройство, в котором тепло от горячих продуктов сгорания топлива передается воде. Водогрейный котел прямого типа состоит из системы трубопроводов, оборудованной в одном переносном блоке. Обобщенная технологическая схема водогрейного газового котла показана на рис. 2.

Рисунок 2. Технологическая схема водогрейного газового котла

Газ и воздух подаются в горелку котла. Воздух подается обдувающим вентилятором. Топливная смесь, образующаяся в горелке, воспламеняется и передает тепло в камеру сгорания. В результате процесса горения образуются газообразные продукты – дымовые газы. Они всасываются вытяжкой дыма, а затем выбрасываются в атмосферу.

Горение осуществляется с помощью горелки. При сжигании газового топлива необходимо обеспечить: хорошее предварительное смешивание газа с воздухом, проводить процесс с небольшими избытками воздуха, разделять поток смеси на отдельные струи. Нагрев воздушной смеси и химическая реакция горения Горенья происходят очень быстро. Основным фактором продолжительности горения является время, затрачиваемое на смешивание газа с воздухом в горелке. Горенье скорости и качества перемешивания газа с необходимым количеством воздуха, зависит от скорости и полноты сгорания газа, длины факела печи и температуры пламени. Для процесса горения дымосос создает необходимый отвод и обеспечивает полное удаление продуктов сгорания.

Если воздуха недостаточно, то помимо неполного сгорания, то есть экономических потерь, будет загрязнение воздуха, так как сажа и угарный газ (СО) не допускаются, так как СО токсично действует в организме, а сажа, которая осаждается на поверхностях котлов, приводит к избытку топлива и загрязнению воздуха. Поэтому необходимо отрегулировать соотношение топлива и воздуха.

Для работы котла на газовом топливе используются 3 нижние горелки с прямым пазом, которые устанавливаются между секциями вертикальных экранов сгорания. Горелка имеет два ряда отверстий диаметром 1,5 мм, расположенных в шахматном порядке.

Анализ водогрейного котла как объекта управления

Водогрейный котел предназначен для нагрева воды, которая используется для обогрева помещений. Объектом управления являются котлы, которые устанавливаются последовательно. Вода подается насосами и проходит через них. В котлах имеются горелки, на которые подается газ и воздух. Воздух подается дутьевым вентилятором, а газ - через газораспределительное устройство. Топливная смесь, образующаяся в горелке, воспламеняется и передает тепло в камеру сгорания. Именно так вода нагревается и подается потребителю. Возмущающим эффектом является температура наружного воздуха, по отношению к которой изменяется количество газа.

Выходным эффектом является горячая вода и дымовые газы, которые поглощаются вытяжкой и выбрасываются в атмосферу.

Рисунок 3. Функциональная схема анализа процесса нагрева воды в котле: а) схема материальных потоков и их информационный переменных; б) структурная схема процесса САУ.

На функциональной схеме (рис. 3) видно, что объект-котел имеет входные воздействия - температуру воды (Т_в.), давление газа (Р_г.) и давление воздуха (Р_в), проходя через котел, на выходе поступает нагретая вода (Т_в.) и дымовые газы (Р_дг.), в результате сгорания газа и воздуха. Кроме того, температура наружного воздуха оказывает возмущающее воздействие, в отношении которого необходимо регулировать давление газа.

Конструктивно система автоматизации представляет собой сеть управляющих контроллеров, свободно программируемых, установленных на платах (вместе с блоком питания) в месте установки того или иного оборудования [6].

В дополнение к дистанционному и автоматическому управлению блоками предусмотрено «локальное» управление непосредственно с панели управления; кроме того, проектом предусмотрена установка предохранительных выключателей на месте установки блоков, удаленных от панели (насосы, вентиляторы общей вентиляции).

 Автоматизация котельной обеспечивает выполнение следующих функций:

- регулирование температуры хладагента (воды) для систем агентов, подаваемых в тепловую сеть;

- открытие клапана при превышении температуры обратной воды центра охлаждения выше температуры воды и закрытие его в обратной ситуации;

- автоматическое переключение рабочих насосов в режим ожидания в случае сбоя в работе, переключение «рабочего» и «резервного»;

- обеспечить возможность следующих режимов работы насосов и подачи холода:

- один для теплоснабжения, другой для холодоснабжения;

- два охлаждающих насоса;

- выключение насосов, когда аварийное давление воды перед ними низкое;

- функции безопасности в соответствии со СНИПОМ II-35-76 с изменениями N 1:

- автоматическая остановка подачи топлива на горелках;

- в случае отключения электроэнергии и восстановления вашего питания, обеспечьте автоматический запуск котельной;

- каскадное регулирование количества и мощности включенных котлов для стабилизации температуры воды в контуре котла [7].

Список литературы:

1. Автоматизация проектирования систем управления. - М.: Финансы и статистика, 2017. - 208 с.
2. Батков, А.М. Системы дистанционного управления / А.М. Батков, И.Б. Тарханов. - М.: Машиностроение, 2012. - 192 с.
3. Богуславский, Л.Б. Основы построения компьютерных сетей для автоматизированных систем / Л.Б. Богуславский, В.И. Дрожжей. - М.: Энергоатомиздат, 2013. - 256 с.
4. Васин, М. Гости из будущего / М. Васин. - М.: Советская Россия, 2017. - 192 с.
5. Воронов, А.А. Основы теории автоматического управления. Часть 2 / А.А. Воронов. - М.: Энергия, 2014. - 372 с.
6. Автоматизированные методы спецификации / Я. Деметрович, Э. Кнут, П. Радио. - М.: Мир, 2014. - 120 с.
7. Догановский, С.А. Компьютерные устройства в системах автоматического управления помехами / С.А. Догановский. - М.: Энергия, 2015. - 312 с.