Лица, получившие медицинскую и фармацевтическую;doc

Некоммерческое акционерное общество
«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»
Кафедра
Инженерная кибернетика
.
Специальность
Автоматизация и управление
.
Допущен к защите
Зав. кафедрой_______________
«_____»______________20__г.
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
пояснительная записка
Тема “Разработка и исследование систем автоматизации кондиционирования
воздуха в угольной шахте”
Магистрант_______________________________Самашова А.К.
Руководитель диссертации_________________Копесбаева А.А.
Рецензент_________________________________Ускенбаева Р.К.
Нормоконтроль _____________________________Копесбаева А.А.
Алматы, 2014 г.
4
Реферат
Объем и структура работы. Общий объем работы составляет 104
страниц, в том числе 39 рисунков, 24 таблиц и список использованных
источников из 14 наименований.
Магистерская диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения,
списка использованных источников и приложений.
Ключевые слова: кондиционирование, система автоматизации
кондиционирования, автоматизированная система, калориферная установка,
микропроцессорная система.
Актуальность
темы.
Развитие
техники
и
технологии проходки выработок и ведения очистных работ в рудниках привели
к тому, что на протяжении последних лет увеличилось количество проходимых
горных
выработок,
увеличились
размеры
шахтных
полей
и
количество добычных участков, находящихся в одновременной работе. В
результате этого вентиляционные сети, включающие только выработки
главных направлений и добычных участков, превратились в разветвленные и
сложные.
Цель работы: разработка и исследование системы автоматизации
кондиционирования воздуха в угольной шахте.
Объектом
исследования
является
система
автоматизации
кондиционирования воздуха в угольных шахтах.
Методы исследования. В ходе решения поставленных задач в
диссертационной работе использованы методы
структурного анализа,
физического моделирования, аналитические методы моделирования,
визуальное программирование.
Полученные результаты, их новизна, практическая значимость
заключается в следующем:

исследованы особенности автоматизации процессов калориферной
установки в угольных шахтах;

выведены
математические
описания
зависимостей
технологических параметров от управляющих воздействий для объекта
управления температуры и давления воздуха в угольных шахтах;

произведён обзор литературы по существующим предложениям о
реализации систем автоматизации кондиционирования воздуха на базе
контроллеров Simatic;

разработаны системы автоматизации кондиционирования воздуха в
угольных шахтах, аппаратное и программное обеспечение которых базируется
на контроллерах Simatic;

разработан физический стенд калориферной установки для
исследования процессов регулирования;

апробировано программное обеспечение для физического стенда и
получен акт внедрения на кафедре «Электроника»
.
5
Мазмұндама
Жұмыстың көлемі мен құрылымы.
Жұмыстың жалпы көлемі 104 беттен тұрады, соның құрамында 39 сурет,
24 кесте, 14 қолданылған әдебиеттер тізімі.
Магистрлік диссертация кіріспеден, бес бөлімнен, қорытындыдан,
қолданылған әдебиеттер тізімінен және қосымшалардан тұрады.
Кілттік сөздер: кондициялау, автоматтандырылған басқару жүйесі,
автоматтандырылған
кондициялау
жүйесі,
автоматтандырылған
жүйе,калорифер қондырғысы.
Тақырыптың өзектілігі. Соңғы кезде техниканың және технологияның
гүлденуі көмір шахтасының жолдарын көбейтіп және де қиындатып жіберді
Нәтижесәнде осының бәрі желдету жұмысына кедергі болып жатыр Осының
бәрі шахтаға кіретің ауаның көбеюін төмендетеді.
Зерттеудің мақсаты: автоматтандырылған кондициялау жүйесін өңдеу
және зерттеу болып табылады.
Зерттеу нысаны: автоматтандырылған кондициялау жүйесі.
Зерттеу тәсілдері. Диссертациялық жұмыстағы қойылған есептерді
шешу барысында автоматтандырылған кондициялау жүйесінің құрылымдық
талдау әдістері, физикалық үлгілеу, талдамдық үлгілеу әдістері, визуалды
программалау қолданылған.
Алынған нәтижелер, олардың жаңартылымы, тәжірибелік мәні.
Жүргізілген зертеулердің барысында келесідей нәтижелер алынды:
 автоматтандырылған калорифер кондырғысының ерекшілігі
зерттелген;
 математикалық тәуелділіктері көмір шахтасындағы температураны
және қысымды басқару нысан басқарушы ықпалдың технологиялық
параметрден сиппаталған ;
 кәзіргі Simatic контроллерде автоматтандырылған кондициялау
жүйелердің тізімі әдебиеттерден шолынған;
 TIA Portal V11де жаңа бағдарламалық жасақтама өңделген;
 калорифер кондырғысының физикалық стенді өңделген;
 физикалық стендке бағдарламалық жасақтамасы қабылданған және
еңгізу акті «Электроника» кафедрасында алынған.
6
Содержание
Введение
Глава 1.
1.1
1.2
Глава 2.
2.1
2.2
2.3
Глава 3.
Глава 4.
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
4.2.5
4.3
4.4
4.5
4.6
4.6.1
4.6.2
Глава 5.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Особенности автоматизации процессов калориферной
установки в угольных шахтах
Критика современного состояния систем автоматизации
калориферной установки в угольных шахтах
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО МАТЕМАТИЧЕСКОМУ
ОПИСАНИЮ ЗАВИСИМОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
ВОЗДУХА ОТ УПРАВЛЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Физико-химические особенности объекта регулирования
давления и температуры воздуха в угольных шахтах
Математическое
описание
объекта
регулирования
давлением воздуха
Математическое
описание
объекта
регулирования
температурой воздуха
ОБЗОР
ЛИТЕРАТУРЫ
ПО
СУЩЕСТВУЮЩИМ
ПРЕДЛОЖЕНИЯМ
О
РЕАЛИЗАЦИИ
СИСТЕМ
АВТОМАТИЗАЦИИ
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
ВОЗДУХА
РАЗРАБОТКА
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКСА
СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗАЦИИ
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ,
ПОДОГРЕВА
И
ФИЛЬТРАЦИИ ВОЗДУХА НА БАЗЕ СПЛК
Разработка макро– и
микроструктуры объекта
регулирования
Функциональное устройство системы автоматизации
кондиционирования воздуха в шахтах
Секция нагревания воздуха
Секция фильтрации воздуха
Секция охлаждения воздуха
Секция увлажнения воздуха
Секция камеры смешения
Структурная схема СКВ
Выбор и обоснование выбора оборудования
Разработка
функциональной
схемы
системы
автоматизации
Разработка структуры программного обеспечения
Разработка программного обеспечения нижнего уровня
Разработка программного обеспечения верхнего уровня
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКСА
СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗАЦИИ
7
8
10
10
13
15
15
18
20
26
31
31
31
31
31
31
32
32
33
34
45
47
51
52
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА НА БАЗЕ СПЛК
57
5.1
Исследование режимов управления с диспетчерского
пункта
Заключение
Список сокращений
Список использованной литературы
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Приложение Д
Приложение Е
Приложение Ж
Приложение Л
8
57
64
66
67
70
95
96
97
98
101
102
104
Введение
Развитие техники и технологии выработки и ведения очистительных
работ в угольных шахтах привели к тому, что на протяжении последних лет
возросло количество проходимых горных проходок выработки, возросли
габариты шахтных полей и количество добычных участков, находящихся в
одновременной работе. В результате этого вентиляционные сети, включающие
только проходки выработок основных напрвлений и добычных участков,
видоизменились в развлетвленные и сложные. Все это повлияло на снижение
аэродинамического сопротивления вентиляционных сетей и возрастанию
поступаещего в шахту воздуха. Это привело к возрастанию затрат на
подготовку вентиляционного воздуха и появлению целого ряда сложностей при
эксплуатации воздухоподающих стволо и горных выработок.
Увеличение количества воздуха, который подается в угольные шахты;
увеличение сложных и разветвлённых добычных участков
потребовало
постановки новых задач исследований для разработки, контроля, выбора
средств управления подготовкой воздуха и воздух распределения как основных
инструментов нормированию микроклиматических условий на угольных
шахтах. Без решения этих задач невозможно создание надежных,
высокоэффективных и экономичных вентиляционных сетей.
Воздух, который подается в период осень-зима для подогрева ствола,
необходимо нагревать до температуры, предопределенной правилами
безопасности. Несмотря на выше сказанное нагревать или охлаждать и
подавать на шахту большое количество воздуха оказывается технологически
сложнее, чем нагревать или охлаждать только какую-то его часть до более
высокой температуры, а затем смешивать с холодным воздухом. Поэтому
обычно часть вентиляционного воздуха подается через надшахтное здание без
нагрева, а часть с помощью вентиляторов через систему калориферных
установок.
Большинство
промышленных
производств
имеет
огромные
теплотехнические системы подогрева воздуха, капитальные затраты на
создание которых составляют несколько миллионов тенге, а расход
недостаточных видов энергии до 3000 МВт в год. В общих затратах на добычу
полезных ископаемых доля затрат, связанных с регулировкой теплового
режима, достигает 30%. При этом основной процент компонуют потери
тепловой энергии в надшахтных зданиях воздух подающих стволов. Эти потери вызваны использованием неразумной схемы подготовки и подачи
воздуха в подающие стволы.
Анализ вентиляции шахтных стволов на Карагандинской угольной шахте
показал, что для обеспечения требуемых параметров воздушного пространства
в стволе и уменьшения потерь тепловой энергии в надшахтных зданиях
необходимо увеличить количество воздуха, проходящего тепловую обработку
или температуру воздуха на выходе из электрокалориферных установок. Так
как вентиляторы, которые уже существуют на предприятиях больше не
9
обеспечивают увеличение производительности, для поддержания требуемого
температурного режима в стволе, на существующих установках была увеличена
температура воздуха на выходе из калориферных установок. Это привело к
ухудшению смешивания потоков холодного и горячего воздуха в стволе; к
размораживанию системы теплоснабжения калориферных установок во время
минимальных температур атмосферного воздуха; к образованию тепловых
утечек в системах подготовки и подачи воздуха.
Увеличивая количество наружного воздуха можно уменьшить
температуру воздуха на выходе из калорифера. Это реализуется изменением
соотношения воздушных потоков, которые поступают через надшахтное здание
и калориферную установку в ствол шахты. Однако действующие технологии
подготовки воздуха не позволяют сделать это.
Представленная магистерская диссертация посвящена автоматизации
системы кондиционирования воздуха в угольной шахте.
В представленном проекте объектом исследования является
калориферная установка, роторный рекуператор и холодильная установка.
Калориферная установка, роторный рекуператор и холодильная установка
выполняют основную функцию - поддержание постоянной температуры
воздуха, поступающего в ствол угольной шахты, что позволяет избежать
обмерзания ствола и подъёмных сосудов в зимний период.
10
Глава 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Особенности автоматизации процессов калориферной установки
в угольных шахтах
Шахта – это предприятие, срок службы которого может составлять
несколько десятков лет, поэтому вентиляция должна быть запроектирована на
определенный этап (этапы) развития горных работ [1].
Главной задачей вентиляции шахт является поддержание определенной
температуры воздуха во всех рабочих местах. Немало важной задачей также
является частое проветривание добычных участков. Например, при добыче угля
выделяется метан, если концентрация метана превышает 15% , то создается
взрывоопасная ситуация: «Пожар, возникший 20 сентября 2006 года на шахте
имени Ленина в Карагандинской области Казахстана, стал причиной гибели 43
горняков. Согласно версии прибывших на место трагедии спасателей, на
глубине 500 метров в проходческом стволе шахты произошел выброс метана,
который, воспламенившись, стал причиной взрыва и последующего пожара»
[1].
Для повышения эффективности и надёжности вентиляции шахты
реализуют
автоматизацию
управления
на
основе
дистанционного
регулирования параметров вентиляции шахты. В диссертационной работе будет
рассмотрена угольная шахта, находящаяся в г. Караганда.
Угольная промышленность — это отрасль промышленности по добыче
каменного угля из его месторождений в земной коре. Существует два метода
добычи угля: закрытый (в шахтах) и открытый (в разрезах, карьерах).
Основные работы в угольных шахтах: зарубка пласта с помощью врубовых
машин, отбойка угля с помощью взрывчатых веществ, пневматических
отбойных молотков, комбайнами, «механизированными» комплексами или
гидравлическим способом. Из лав уголь транспортируется конвейерами до
откаточного штрека и электровозами доставляется к стволу для выдачи на
поверхность [1].
В разрезах угольный пласт разрыхляется буровзрывным методом, уголь
грузится на автосамосвалы и транспортируется на поверхность.
ями в
угольной
промышленности
являются:
неблагоприятные
метеорологические условия, выделение больших и мелких частиц и вредных
газов, шум, вибрация, на пологопадающих тонких пластах вынужденное
положение тела, в гидрошахтах опасность глазного травматизма (у
гидромониторщиков).
Во многих угольных шахтах в воздухе имеются метан, углекислота,
окись углерода,
сернистый
газ
и
окислы
азота.
Пылеобразование в воздухе шахт и разрезов состоит из угольных и породных
частиц. Содержание минеральных веществ в ней варьируется от 15 до 40%,
свободной двуокиси кремния — от 1 до 10%. Согласно Санитарным нормам СН
11
245—71 предельно допустимая концентрация угольной пыли в воздухе
выработок не должна превышать 10 мг/м3 — при содержании в углях
свободной двуокиси кремния до 2% и 4 мг/м3 — при содержании ее более 2%.
Однако запыленность воздуха нередко превышает эту величину во много раз,
особенно при работе комбайнов. Для уменьшения твердых газообразных
частиц при добыче угля в шахте применяются, следующие способы: 1)
нагнетание воды в угольный пласт перед выемкой из него угля; 2)
распылительное орошение водой мест наибольшего пылеобразования; 3) сухое
пылеулавливание от мест отбойки угля специальными устройствами комбайна
или
«механизированного
комплекса».
Наиболее частые причины травматизма у рабочих забойной группы — это
нарушение правил техники безопасности при ведении горных работ и
транспортировке угля. В настоящее время во многих угольных шахтах
вентиляция, кондиционирование и фильтрация воздуха используется по
отдельности.
Фильтрация воздуха применяется для очистки воздуха, загрязненного
образующимися при буровзрывных работах мелкими частицами пыли, газами
(углекислым и метаном) и для охлаждения горных выработок. Вентиляция
позволяет также снижать влажность воздуха. В некоторых глубоких шахтах с
естественно
высокой
температурой
горных
пород
применяется
кондиционирование воздуха.
При проектировании систем вентиляции шахт обычно соблюдается
следующая последовательность вопросов: подбираются необходимые исходные
данные; выбирается система, схема и способ вентиляции шахты; решаются
вопросы по количеству воздуха, который необходим для отдельных рабочих
мест и для всей шахты в целом, производится его распределение;
подсчитывается необходимая депрессия шахты по определяющему маршруту;
подсчитывается депрессия естественной тяги и определяется параметры ее
взаимодействия с вентилятором; определяется основные аэродинамические
параметры системы вентиляции шахты и главного вентилятора; выбирается
оборудование, и определяется регулировочные параметры; выбирается
конструктивный тип, оборудование и выполняется теплотехнический расчет
калориферной установки; определяется экономическая эффективность системы
вентиляции.
12
Кондиционирование воздуха играет существенную роль не только с
точки зрения безопасности жизнедеятельности, но и во многих
технологических процессах, при которых не допускаются колебания
температуры и влажности воздуха (особенно в радиоэлектронике). Поэтому
установки кондиционирования в последние годы находят все более широкое
применение на промышленных предприятиях.
В холодное время года температура атмосферного воздуха на территории,
где расположены промышленные предприятия, шахты, ниже 0 °С. При подаче
такого воздуха в шахту возникают следующие осложнения: ухудшаются
тепловые условия для людей, занятых околоствольных дворах; обмерзает
армировка стволов, что сказывается на работе шахтных подъемных установок;
обмерзают стенки, кровля и конструкции транспортных установок в
горизонтальных и наклонных выработках. Все это вызывает необходимость
искусственного подогрева воздуха, подаваемого в шахту в холодное время года.
Фильтрация воздуха – необходима для защиты, как самой системы
вентиляции, так и вентилируемых помещений от твердых и мелких
газообразных примесей. Для очистки воздуха используют промышленные
фильтры. Обычно в систему кондиционирования ставят фильтр грубой очистки,
который задерживает частицы величиной более 10 мкм, и дополнительно могут
быть установлены фильтры тонкой очистки (задерживают частицы до 1 мкм) и
особо тонкой очистки (задерживают частицы до 0,1 мкм). Материалом,
который фильтрует, является ткань из синтетических волокон, например,
акрила. Фильтр необходимо периодически очищать от грязи и пыли, обычно не
реже одного раза в месяц. Для контроля загрязненья фильтров можно
установить дифференциальный датчик давления, который контролирует
разность давления воздуха на входе и выходе фильтра при загрязнении
разность давления увеличивается [2].
Автоматизация технологических процессов является одним из решающих
факторов повышения производительности и улучшения условий труда. Все
существующие и строящиеся промышленные объекты в той или иной степени
оснащаются средствами автоматизации [2].
Проектами наиболее сложных производств, особенно в черной
металлургии, нефтепереработке, химии и нефтехимии, на объектах
производства минеральных удобрений, энергетики и в других отраслях
промышленности, предусматривается комплексная автоматизация ряда
технологических процессов [2].
Неотъемлемой частью технической реализации технологических
процессов по жизнеобеспечению деятельности человека являются средства
автоматизации. Это в полной мере можно отнести и к системам вентиляции и
кондиционирования воздуха, без которых трудно представить современные
офисные, жилые и производственные здания. Четкую, надежную и
энергосберегающую работу этих систем может обеспечить только правильно
спроектированная, смонтированная, отлаженная и грамотно обслуживаемая
система автоматики.
13
В диссертационной работе будет исследована и разработана система
автоматизации кондиционирования воздуха в угольных шахтах.
1.2
Критика современного состояния
калориферной установки в угольных шахтах
систем
автоматизации
В основу функционирования систем автоматического управления систем
кондиционирования и вентиляции, как и любой системы управления, положен
принцип обратной связи: выработка управляющих воздействий на основе
информации об объекте, полученной с помощью датчиков, установленных на
объекте.
Каждая определенная САУ разрабатывается исходя из заданной
технологии обработки входного потока воздуха. Это могут быть простые
вентиляционные системы или центральные кондиционеры в сочетании с
автономными устройствами (осушители, автономные кондиционеры,
увлажнители) [3].
При использовании автономных устройств или комплектных
технологических установок обработки воздуха САУ доставляются уже
встроенными в оборудование и уже заложенными определенными функциями
управления, которые обычно подробно описываются в паспорте устройства. В
этом случае наладка, сервисное обслуживание и эксплуатация таких систем
14
управления должны производиться в точном соответствии с указанной
документацией [3].
Если САУ требует разработки для определенной технологической схемы
и оборудования с установлением в него средств автоматики других компаний –
производителей, то определение оптимальной программы и определенных
функций управления должно вестись совместно специалистами по
кондиционированию и вентиляции и специалистами по автоматизации. При
таком подходе учитываются как требования к системе автоматизации, так и к
автоматизируемому объекту.
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 одного режима на
другой режим и так далее. Устройства комплексно, которые осуществляют
функции управления и регулирования, называются управляющими
контроллерами. При их использовании в большинстве случаев невозможно
применения таких элементов автоматики, как реле, преобразователи,
переключатели, счетчики, индикаторы, измерительные приборы и тому
подобное. Это в свою очередь допускает:

увеличить точность поддержания регулирующих параметров и
надежность работы системы;

уменьшить размеры средств управления;

облегчить монтаж и сократить сроки его выполнения;

упростить эксплуатацию системы [3].
15
ГЛАВА 2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО МАТЕМАТИЧЕСКОМУ
ОПИСАНИЮ ЗАВИСИМОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
СИСТЕМЫ
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
ВОЗДУХА
ОТ
УПРАВЛЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
2.1 Физико-химические особенности объекта регулирования
давления и температуры воздуха в угольных шахтах
Состояние воздушной среды влияет на самочувствие, здоровье и
работоспособность рабочих шахт, а также на сохранность технологического
оборудования [4].
В чистом атмосферном воздухе приземного слоя находятся в основном
смеси азота, кислорода, небольшое количества водяных паров (до 5% по весу)
и ничтожное количества инертных газов. Основные физические постоянные
атмосферного воздуха и входящих в его состав газов приведены в таблице
2.1.
Т а б л и ц а 2.1 - Основные физические постоянные атмосферного воздуха и
входящие в его состав газы
* Для промышленных центров от 0,04 до 0,14.
16
На самочувствие, здоровье и работоспособность людей также
воздействуют температура, относительная влажность, барометрическое
давление и скорость движения воздуха, совместно называемые
метеорологическими факторами.
В результате окисления пищи, поглощаемой человеком, образуется тепло,
поддерживающее температуру тела человека почти на постоянном уровне, при
этом количество тепла, выделяемого организмом, зависит от величины
выполняемой им физической работы и психической нагрузки.
Благодаря идеальной терморегуляции человеческого организма и его
защитным реакциям в зависимости от состояния внешней среды, приведенные
виды передачи тепла при сохранении суммарного количества тепла,
передаваемого организмом во внешнюю среду, количественно изменяются
между собой [4].
При температуре воздуха, равной или выше нормальной температуры
человеческого тела (около 36° С), и относительной влажности воздуха, близкой
к 100%, исключается нормальная передача тепла человеческим организмом.
В качестве защитной реакции организм человека повышает температуру
тела для возможности восстановления передачи тепла теплопроводностью и
конвекцией, что может привести к тепловому удару.
При таком состоянии воздушной среды, но при наличии близко
расположенных холодных поверхностей (экранов) передача тепла
человеческим организмом без нарушения его нормальной деятельности
(вследствие лучепрозрачности воздуха) осуществляется радиацией.
О значении радиации для организма можно судить по величине
передаваемого тепла этим видом теплопередачи, составляющим от 43,8 до
59,1% общих теплопотерь для обычных оптимальных условий воздушной
среды.
Большое влияние холодных поверхностей на ощущение человека
оказывает так называемая обратная радиация, что доказано экспериментами,
при которых поддерживалась на поверхности ограждения температура +10° С,
а температура воздуха резко увеличивалась до +40° С и состояние людей,
находящихся в покое, было удовлетворительным. Лучший охлаждающий
эффект обследованных людей, находившихся в состоянии покоя при
температуре воздуха в опытной камере +40° С, оказался для варианта с
температурой на поверхности ограждения +14° С.
Примерное распределение потерь тепла телом человека, не
производящего физической работы из которого видно, что при низких
температурах потеря тепла происходит главным образом теплопроводностью,
конвекцией и излучением, а при температурах выше 30° С — испарением.
Влияние холодных поверхностей на самочувствие человека приобретает
особое значение в подземных сооружениях – шахтах.
Изложенное показывает, что одному и тому же ощущению тепла и
холода может соответствовать неограниченное число комбинаций
температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в
17
помещениях, а также температуры поверхностей (экранов), способствующих
передаче тепла лучеиспусканием. Наиболее благоприятные для человека
условия в каждом отдельном случае при различных значениях трех факторов —
температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха —
можно оценить приблизительно по известному графику эквивалентноэффективной температуры воздуха, составленному на основе наблюдений,
проведенных над нормально одетыми людьми, находящимися в состоянии
покоя [5].
В соответствии с санитарными нормами концентрация углекислого газа
не должна превышать 20 мг/м3. При большей, чем указано в нормативах,
концентрации углекислого газа у людей может наступить потеря сознания,
поэтому в главную задачу вентиляции входит не допустить опасных для
человека концентраций вредных газов.
Следствием
плохой вентиляции являются
чрезмерная
влажность
и конденсация влаги, неприятные запахи из кухни и туалетных комнат, затхлый
воздух.
С целью эффективного устранения вредных веществ из воздуха
и рекомендуется установка вентиляционного оборудования. Вентиляция
помогает создавать и контролировать благоприятные условия для эффективной
и здоровой
жизнедеятельности
человека
(поддержание
постоянной
температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха,
допустимой концентрации вредных примесей).
Создание оптимального состава воздушной среды в помещении может
осуществляться путем удаления образовавшихся тепло-, газо- и влагоизбытков,
пыли и добавления необходимого количества свежего воздуха с
предварительной его подготовкой (охлаждение или нагрев, осушение или
увлажнение, фильтрация и др.)[5].
Оптимальные параметры воздуха представляют собой совокупность
условий, наиболее благоприятных для самочувствия людей (область
комфортного кондиционирования воздуха), или условий для правильного
протекания
технологического
процесса
(область
технологического
18
кондиционирования). Оптимальные параметры внутреннего воздуха на
промышленных предприятиях устанавливают, исходя из положения, что если
количество и качество продукции зависит от соблюдения точного режима
технологического процесса, а не от интенсивности труда, то определяющим
фактором являются требования технологического процесса. Если же на
выпуск продукции в основном влияет интенсивность труда, обеспечиваются
условия, комфортные для работающих в цехе людей.
Допустимые параметры воздуха устанавливаются в случае, когда по
технологическим требованиям или техническим и экономическим причинам не
обеспечиваются оптимальные нормы. В соответствии с санитарногигиеническими требованиями наиболее благоприятная температура в
общественных, административно-бытовых помещениях должна составлять 2025 °С приведены в таблице 2.2, а допустимые колебания в теплый период - от
20 °С до 28 °С, в холодный и переходной периоды - от 18 °С до 22 °С
приведены в таблице 2.3.
Т а б л и ц а 2.2 - Оптимальные нормы температуры, относительной
влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне жилых,
общественных и административно-бытовых помещений [СНиП 2.04.05-91
Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха]
Т а б л и ц а 2.3 - Допустимые нормы температуры, относительной
влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне жилых,
общественных и административно-бытовых помещений [СНиП 2.04.05-91]
19
2.2 Математическое описание объекта регулирования давлением
воздуха
Система регулирования давления воздуха в калориферной установке
представляет собой комплекс из элемента, управляющего расходом воздуха,
вентилятора, измерительных каналов давления.
При составлении уравнения движения
этого
звена
связывают
изменения давления P воздуха в калорифере и в гликолевой установке с
изменением положения регулирующего клапана G .
Если клапан открыт на величину G , в калорифер за некоторый
промежуток времени dt поступит L единиц объема воздуха. Давления воздуха
внутри камеры повысится на величину P . Следовательно, можно записать,
что:
Fкn
dPn
 Ln ,
 n  dt
(1)
где Fк – площадь поперечного сечения камеры.
Количество поступающего в калорифер воздуха в самом общем
случае зависит от степени открытия клапана G и давления воздуха в камере Pк .
Поэтому F  f G; Pк  , тогда
Ln  1n Gn   2 n
Pn
n
,
(2)
где  1 – коэффициент изменения давления воздуха с изменением
величины открытия задвижки;  2 – коэффициент изменения расхода воздуха с
изменением давления воздуха в камере.
С увеличением давления в камере Pк выше заданного поступление
избыточного количества воздуха в камеру снижается. В частном случае, если
воздух подается в камеру при установившемся значении давления, второй член
уравнения равен нулю и поступление воздуха зависит только от степени
открытия клапана.
Подставив (2) в (1), получим:
Fn
dPn
P
  2 n n  1nGn ,
 n  dt
n
(3)
Приняв, что относительная величина изменения давления воздуха в
камере равна:
20
yn 
Pn
,
P0
(4)
и относительная величина смещения регулирующего клапана
xn 
Gn
,
G0
(5)
где P0 и G0 – номинальные значения параметров P и G .
Введя эти значения, преобразовав и перейдя к операторной форме записи
дифференциального уравнения, будем иметь:
 Fn

 G

 y n  1 n  0   n  xn ,
p

1


 2 n P0
 2n

(6)
или
Tn p 1yn  kxn ,
где Tn 
Fn
2
(7)
– постоянная времени звена; k 
n
1n G0

  – коэффициент
 2 P0 n
n
усиления звена.
Выражение (7) представляет собой уравнение калориферной установки
как звена системы регулирования давления воздуха. Калориферная установка
как звено системы регулирования давления воздуха является статическим
объектом и обладает инерционностью, на которую влияет давление воздуха в
теплообменном аппарате. Инерционность системы определим как:
 n  ln 
2 gP0
n
,
(8)
где l – длина проходной трубы; P0 – номинальное значение давления в
камере;
Тогда окончательно получим :
А) для калорифера
W1  p  
k1
e 1 p
T1 p  1
(9)
[12].
21
2.3 Математическое описание объекта регулирования температуры
воздуха
В электрических воздухонагревателях согласно закону Джоуля-Ленца
количество выделяющего тепла можно представить в следующем виде:
Q   I 2 R 
U2
  UI
R
(10).
При стационарном тепловом состоянии электронагревателей и
омывающего их воздуха все тепло, выделившееся в проводниках, передается в
окружающую среду, что можно выразить соотношением
Q  I 2 R    F t ПОВ 0  t В  ,
(11)
где  – коэффициент теплоотдачи между наружной поверхностью ТЭН и
воздухом; F – наружная поверхность теплообмена ТЭН; t ПОВ и t В – средние
температуры наружной поверхности ТЭН и воздуха, омывающего ТЭН [8].
Эффективность использования теплопередающей установки описывается
тепловым энергетическим балансом:
 уравнение сохранения вещества:
Gприх  G  Gвт  0 ,
(12)
где Gприх– количество поступившего вещества; G – количество полезно
преобразованного вещества; Gвт – потери вещества.
 уравнение сохранения энергии:
Qприх  Q  Qвт  0 ,
(13)
где Qприх – количество поступившей энергии; Q – количество полезно
преобразованной энергии; Qвт – потери энергии.
Qприх  I 2 R0 (1    t пов )
Q    F t ПОВ 0  t В 
,
(14)
,
(15)
Для оценки условий поддержания температуры горячего воздуха
рассмотрим динамические процессы, протекающие в нем, используя уравнение
теплового баланса:
Q '  Qприх  QB  Qп ,
(16)
22
где Q ' – тепловая производительность, Дж/с; Qприх – количество
выделяющего в проводнике тепла, то есть количество поступившей энергии
Дж; QВ – количество тепла передаваемое воздуху, то есть количество полезно
преобразованной энергии; Qп – потери теплоты в окружающую среду, Дж/с.
Подставим уравнения (14) и (15) в (16), развернем понятие коэффициента
теплопередачи α, а также, приняв, что потери энергии составляют 20% от
полезной энергии, получим:
где VB - объем воздуха, м 3 ; C B - теплоемкость воздуха, Дж / кг0 С ;  B плотность воздуха, кг / м 3 ; t В - температура воздуха, 0 С ; I - сила тока, А ; R0 сопротивление проводника при 00С, Ом ; β=(ρ/ρ0-1)/(t-t0) - температурный
коэффициент изменения сопротивления проводника тока; t ПОВ - температура
наружной поверхности ТЭНа, 0 С ;  B - скорость воздуха в калорифере, м / с ; Fнэ
- наружная поверхность нагревательного элемента, м 2 .
Без учета потери теплоты, уравнение примет вид:
VB C B  B
dt B
 I 2 R0 (1    t ПОВ )   B C B B  Fнэ (t ПОВ  t В )  VB C B  B  Fнэ (t ПОВ  t В ) , (17)
dt
Так как до внесения возмущения в стационарном состоянии
наблюдалось равенство тепловыделения и теплоотвода, то:
I 2 R0 (1    t ПОВ 0 )   B C B B  Fнэ (t ПОВ 0  t В 0 )  VB C B  B  Fнэ (t ПОВ 0  t В 0 ) =0.
(18)
Вычитаем уравнение (18) из (17):
dt B
 I 2 R0  (t ПОВ  t ПОВ 0 )   B C B B  Fнэ (t ПОВ  t ПОВ 0 )   B C B B  Fнэ (t В  t В 0 ) 
dt
 VB C B  B  Fнэ (t ПОВ  t ПОВ 0 )  VB C B  B  Fнэ (t В  t В 0 )
VB C B  B
Обозначим коэффициенты при переменных значениях времени и
температуры: VB CB  B  k1 , I 2 R0   k 2 ,  B C B B  Fнэ  k3 , VB C B  B  Fнэ  k 4 ,
(19)
Тогда уравнение примет вид:
k1
dt B
 (k 2  k 3  k 4 )(t ПОВ  t ПОВ 0 )  (k 3  k 4 )(t В  t В 0 ) .
dt
Обозначим (t ПОВ  t ПОВ 0 )  x , (t В  t В 0 )  y , находим:
k1
dy
 (k 2  k 3  k 4 ) x  (k 3  k 4 ) y ,
dt
23
k1
dy
 (k 3  k 4 ) y  (k 2  k 3  k 4 ) x .
dt
В операторной форме:
k1 yp  (k3  k4 ) y  (k2  k3  k4 ) x .
Тогда передаточная функция объекта регулирования температуры примет
вид:
W ( p) 
k 2  k3  k 4

k1 p  (k 3  k 4 )
k 2  k3  k 4
.
k1
(k 3  k 4 )(
p  1)
k3  k 4
Обозначим:
Tэ 
k k k
k1
; kэ  2 3 4 .
k3  k 4
k3  k 4
Qп – Qоб = 0.
(20)
Значение теплового потока, отводимого от ХК (Qn) в Дж/с, рассчитываем
по формуле:
Qп = kпFп(Qп - Qоб),
(21)
где kп – коэффициент теплопередачи испарителя, Дж/(м2×0С×с),
Fп – площадь теплопередающей поверхности испарителя, м2.
Значение теплового потока, приходящего в ХК (qo6) в Дж/с, рассчитываем
по формуле
Qоб = kобFоб(Qоб - Qв),
(22)
24
где kоб – коэффициент теплопередачи продукта, Дж/(м2×0С×с),
Fп – площадь теплопередающей поверхности, м2.
Запишем уравнение (20) для рассматриваемого процесса в динамике, в
приращениях:
d∆Q0 = (∆Qn - ∆Qoб)dt,
(23)
где ∆Q0 - количество тепла, необходимого для восстановления теплового
баланса за время dt, записанное в приращении, Дж.
Значение (∆Q0) найдем по формуле:
∆Q0=cm∆Qоб,
(24)
где с - удельная теплоемкость продукта, Дж/(кг×0С),
m - масса продукта, кг,
∆Qоб - приращение температуры, на которое нужно изменить
температуру продукта, чтобы сохранить тепловой баланс, °С.
Подставляя в (23) выражения (24), (22), (24) получим
(25)
В выражение (25) было подставлено значение
(26)
После некоторых преобразований запишем уравнение (25) в другом виде:
(27)
Обозначим:
С учетом принятых обозначений выражение (1.8) примет вид:
25
Т
d 2 y dy

 k4  x1  k4  x2
d 2t dt
В операторной форме:
Тy 2 p 2  p  k4  x1  k4  x2
Тогда передаточная функция объекта регулирования температуры примет
вид:
W ( p) 
k2
k1

Тp2  p Тp2  p
[6].
26
ГЛАВА 3. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО СУЩЕСТВУЮЩИМ
ПРЕДЛОЖЕНИЯМ О РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
Системы кондиционирования воздуха являются одними из самых
энергоемких систем инженерного оборудования зданий и сооружений.
Энергетические затраты на кондиционирование составляет 30 - 50 % от
стоимости эксплуатации зданий. Поэтому проблема энергосбережения является
одной из самых важных задач эффективности использования энергии в
процессах кондиционирования воздуха.
Снижение энергопотребления системы отопления, вентиляции и
кондиционирования воздуха — это наиболее эффективный путь сокращения
расходов, так как на работу этой системы расходуется больше всего энергии.
Для повышения эффективности энергопотребления применяются такие методы
экономии энергии, как использование тепловой энергии холодильных
установок, усовершенствование стояков водяного охлаждения и использование
вспомогательных насосов для охлажденной воды.
Проект вентиляции разрабатывают на период строительства шахты,
который включает выбор схем проветривания при проходке и армировке
стволов и проведении горизонтальных и наклонных тупиковых выработок,
расчет расхода воздуха, выбор средств проветривания и способов и средств
подогрева воздуха, подаваемого в выработки.
С целью совершенствования вентиляции действующих шахт
производится оценка состояния проветривания, выявляются его недостатки и
их причины, разрабатываются мероприятия по обеспечению проветривания
шахты на год и на пятилетие.
При
проектировании
вентиляции
новых,
реконструкции
и
совершенствовании вентиляционных систем действующих шахт применяются
промышленные контроллеры.
27
При выборе метода вентиляции шахты оценивается возможность подачи
в шахту необходимого количества воздуха при принятом методе. Например,
при всасывающем методе в случае расположения вентилятора на скиповом
стволе возможно засорение канала вентилятора штыбом и увеличение его
сопротивления. Последнее приводит к уменьшению количества поступающего
в шахту воздуха. Принятый метод вентиляции должен обеспечивать
минимальные утечки воздуха. Например, при нагнетательно-всасывающем
методе в шахте существует область, где давление воздуха близко к
атмосферному. Если при этом данная область имеет аэродинамическую связь с
поверхностью, то утечки воздуха через эти каналы связи (на поверхность или с
поверхности) будут минимальны (меньше, чем при других способах
вентиляции). В случае применения многих полустационарных всасывающих
вентиляторных установок на шурфах имеют место значительные подсосы
воздуха с поверхности вследствие недостаточной герметизации устьев шурфов.
Использование одной стационарной вентиляторной установки,
работающей на нагнетание, обеспечивает уменьшение поверхностных утечек
воздуха. В ряде случаев метод вентиляции может влиять и на подземные
утечки.
Метод вентиляции должен обеспечивать применение минимального
числа вентиляторов главного проветривания, так как параллельная их работа
затрудняет их реверсирование и управление вентиляцией (особенно при
пожаре). Метод вентиляции должен также обеспечивать минимальную
пожароопаспость шахты, быстрое и надежное реверсирование вентиляционных
струй, предупреждение обмерзания вентиляторов и стволов.
Метод вентиляции оказывает влияние на чистоту подаваемого к рабочим
местам воздуха. Так, при нагнетательном методе вентиляции через скиповый
или конвейерный ствол в горные выработки шахты будет поступать
загрязненный воздух.
Всасывающий метод вентиляции используется на газообильных угольных
шахтах. На рудных шахтах он применяется до глубин примерно 1500 м. При
наличии аэродинамической связи с дневной поверхностью применять этот
метод не рекомендуется вследствие возможного загрязнения выработок газами,
находящимися в лежащих выше горных породах и приземном слое.
Нагнетательный метод применяется на угольных шахтах с малой
газообильностью, с небольшим аэродинамическим сопротивлением, при
отработке горизонтов, расположенных на небольшой глубине от дневной
поверхности .
Нагнетательно-всасывающий метод используется при большом
аэродинамическом сопротивлении шахты, разрабатывании склонных к
самовозгоранию полезных ископаемых, при наличии аэродинамической связи
горных выработок с дневной поверхностью. На рудных шахтах этот способ
применяется при секционировании шахты на 2 — 3 участка и глубине до 2000
м.
28
Рисунок 3.1 – Схема проветривания ствола (скважина) с помощью
водокольцевой воздуходувки: 1 – водокольцевая воздуходувка ГРМК (ВК-25);
2 – бак – водоотделитель; 3 – водопроводные трубы с вентилями для
регулировки водоснабжения воздуходувки; 4 – воздухопроводные трубы с
запорно-регулирующей аппаратурой; 5 – замерное устройство; 6 – став
стальных труб диаметром 150 мм; 7 – ствол (скважина)
При стволах и штольнях с поступающей струей воздуха должны быть
воздухонагревательные установки, обеспечивающие поддержание температуры
воздуха не менее 2 С в 5м от сопряжения канала воздухонагревателя со
стволом по ходу поступающей струи воздуха. (см. рисунок 3.3)
Рисунок 3.3 – Схема вентиляторно-воздухонагревательной установки: 1 –
жалюзные решетки, 2 – камера воздухосборная, 3 – заслонка с
электроприводом, 4 – секция приемная, 5 – секция воздухонагревателя, 6 –
секция смешивания холодного и нагретого воздуха, 7 – заслонка с ручным
приводом, 8 – вставка гибкая, 9 – вентилятор для проветривания ствола, 10 –
вентиляционный трубопровод [5].
29
В настоящее время хорошо развита система автоматизации
кондиционирования воздуха на складах, высотных домах, производственных
помещениях и т.д.
Система автоматизации кондиционирования воздуха в угольных шахтах
на базе контроллеров Simatic фирмы Siemens не реализована.
Так как фирма SIEMENS не стоит на месте, а наоборот развивается и
вводит свои новшества в рынок Казахстана. В данной работе будет предложен
новый интегрированный комплекс программирования и проектирования
контроллеров Simatic TIA Portal.
Выемочные участки являются основными объектами проветривания на
угольных шахтах. В зависимости от нагрузки на выемочный участок
необходимо обеспечивать его соответствующим количеством воздуха. Данная
статья является продолжением исследований, проведенных в работах, где
подробно рассмотрен вопрос реализации систем автоматического управления
(САУ) схем проветривания выемочных участков (СПВУ) и проведены
соответствующие эксперименты, подтверждающие адекватность работы таких
систем. Многосвязная система автоматического управления (МСАУ) расходами
воздуха – это система, в которой одновременно работает некоторое множество
САУ СПВУ, взаимосвязанных через ШВС как объект управления. Структурная
схема системы представлена на рисунке 3.4.
Здесь Q1т, …, Qnт – требуемые значения расходов воздуха в ветвях;
Q1, …, Qn – текущие расходы в ветвях ШВС, которые соответствуют
выемочным участкам.
Рисунок 3.4 – Структурная схема МСАУ
Предлагаемая
структура
системы
централизованного
автоматизированного управления показана на рисунке 3.5. Через линии связи
30
на вычислительный комплекс (ВК) подаются значения контролируемых
расходов воздуха Q и концентраций метана C, информация о положениях
регулирующих органов РРВ, ГРРВ, о состояниях регуляторов ВГП.
Рисунок 3.5 – Структура системы централизованного
автоматизированного управления проветриванием
31
Глава
4.
РАЗРАБОТКА
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКСА СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ, ПОДОГРЕВА И
ФИЛЬТРАЦИИ ВОЗДУХА В ШАХТЕ НА БАЗЕ СПЛК
4.1 Разработка макро – и микроструктуры объекта регулирования
Макроструктура производственного процесса отображает упрощенно
производственный процесс системы автоматизации кондиционирования
воздуха в шахтах (см.рисунок 4.1.1)
Рисунок 4.1.1 – Макроструктура производственного процесса как
элемента неизолированной системы
На втором этапе по описанию производственного процесса нужно
установить его микроструктуру (см.рисунок 4.1.2)
Рисунок 4.1.2 – Микроструктура производственного процесса как
системы технологических элементов
Выбранная микроструктура является последовательной, так как для нее
характерна получение продукции из одной исходной рабочей среды.
Иерархирование или разбиение производственного процесса на
технологические элементы является ключевым приемом при организации
автоматизированного или автоматического управления производственным
процессом на принципах системного подхода (см. рисунок 4.1.3).
32
Рисунок 4.1.3 – Составные технологические элементы производственного
процесса
4.2
Функциональное
устройство
кондиционирования воздуха в шахтах
системы
автоматизации
4.2.1. Секция подогрева воздуха
В секции подогрева воздуха используются электрический калорифер и
роторный рекуператор.
Калориферная установка управляется по температуре потока воздуха, а
также по величине потока: если объем воздуха снизится, ниже допустимого
значения, питающее напряжение будет отключено.
Рисунок 4.2.1 – Схема калориферной установки
Роторный рекуператор (вращающийся теплообменник) - представляет
собой ротор с каналами для горизонтального прохода воздуха. Часть ротора
расположена в приточном канале, а часть - в вытяжном. Вращаясь, ротор
получает тепло вытяжного воздуха и передает его приточному каналу, причем
передается как явное, так и скрытое тепло, а также влажность. Эффективность
33
теплоутилизации максимальна и достигает 80 %. Изменяя скорость вращения
теплообменника, можно изменять количество тепла, возвращаемого в
помещение (эффективность рекуперации).
Использования ротационного
теплообменника позволяет снизить затраты энергии на нагрев приточного
воздуха до 4 раз. Кроме того, преимуществом такого типа рекуператора
является низкая склонность к обмерзанию в холодное время года.
Рисунок 4.2.2 – Принцип работы роторного рекуператора
4.2.2 Секция фильтрации воздуха
Секция фильтрации предназначена для очистки воздуха от пыли,
насекомых и газообразных примесей. Для фильтрации воздуха, подаваемого в
угольную шахту используют фильтры грубой и тонкой очистки.
4.2.3 Секция охлаждения воздуха
В качестве хладагента в холодильной машине используется фреон. Для
получения охлажденной воды применяется холодильная машина прямого
испарения, компрессорно-конденсаторный блок которой установлен на
открытом пространстве для обеспечения охлаждения конденсатора.
Испаритель
располагается
в
холодильной
секции.
Регулировка
холодопроизводительности в этом случае производится с помощью
терморегулирующего вентиля и изменения производительности компрессора.
34
Рисунок 4.2.3 – Принцип работы холодильной машины
4.2.4 Секция увлажнения воздуха
4.2.5 Секция камеры смешения
Нагретый воздух из электрокалориферной установки и воздух,
подаваемый из оросительной камеры поступают по воздушным каналам в
камеру смешения системы. Регулирование количества воздуха совершается
воздушными клапанами, которые состоят из параллельных пластмассовых или
металлических лопаток. Лопатки поворачиваются вокруг своей оси синхронно
(механическая связь) с помощью электропривода. Электропривод клапана
управляется командами от автоматической системы регулирования
кондиционером.
35
4.3 Структурная схема СКВ
При осуществлении процесса кондиционирования воздуха объектом
регулирования является обслуживаемое помещение (ОП), в котором
происходит изменение нормируемых параметров воздуха из-за влияния
наружного воздуха и внутренних процессов. Задача СКВ - поддерживать
нормируемые показатели.
Структурная схема СКВ как объекта автоматизации показана на рисунке
4.3.1и 4.3.2. Входными параметрами являются температура наружного воздуха,
давление, тепло-, влаго- и холодоносители, электроэнергия, а также часть
рециркуляционного воздуха, возвращаемого в помещение. Выходными
параметрами являются заданная температура в помещении tпом, заданное
давление, влагосодержание dпом и расход воздуха Gпом.
Рисунок 4.3.1 – Структурная схема автоматического регулирования
давлением воздуха
Рисунок 4.3.2 – Структурная схема автоматического регулирования
температурой калориферной
4.4 Выбор и обоснование выбора оборудования
При выборе оборудований были учтены следующие критерии:
1) Оборудования должны быть совместимы с контроллерами компании
Siemens.
36
2) Поддержание постоянной температуры приточного канала. Управление
температурой приточного воздуха (регулирование температуры воздуха в
канале) используется при подаче в шахту нагретого воздуха с постоянной
температурой. Датчик температуры расположен в приточном воздуховоде.
3) Регулирование температуры в угольной шахте (постоянная
температура в угольной шахте, регулирование температуры вытяжного
воздуха) используется для поддержания в шахте постоянной температуры.
Регулирование температуры в шахте применяется также при изменении
температуры воздуха из-за сквозняков, нагрева оборудования и т. п.
Температура приточного воздуха будет изменяться в зависимости от
необходимости прогрева или охлаждения помещения. Главный датчик
находится в шахте или в приточном воздуховоде
4) Датчик защиты от замерзания в основном предназначен для
предотвращения замерзания теплоносителя в электрокалориферной установке и
роторном рекуператоре. Место расположения температурного датчика является
особенно важным, так как он должен находиться в зоне наиболее низкой
температуры нагревателя.
5) Компенсация наружной температуры. В некоторых случаях
необходимо, чтобы изменение наружной температуры вызывало определенное
изменение уставки температуры главного регулятора. Это означает, что если
наружная температура переходит через определенное значение, то заданная
уставка температуры должна постепенно возрастать. Такая компенсация может
выполняться как летом, так и зимой. Компенсация в летний период означает,
что если температура наружного воздуха поднимется выше определенного
значения, то значение уставки температуры тоже возрастет. Компенсация в
зимний период года означает, что значение уставки температуры увеличится,
если температура наружного воздуха опустится ниже определенного значения.
6) Влажность воздуха. Наиболее оптимальной считается относительная
влажность воздуха в диапазоне от 30% до 60%. Верхняя граница влажности
составляет около 70%. Этот параметр важен для поддержания
микроклиматических условий в угольных шахтах.
По критериям, которые описаны выше были выбраны следующие
оборудования для реализации системы автоматизации кондиционирования
воздуха в угольной шахте:
1.
Индикаторная лампа
Технические характеристики данной индикаторной лампы приведены в
таблице 4.4.1
Т а б л и ц а 4.4.1 – Технические характеристики
2.
Комнатный датчик температуры с задатчиком
37
Этот датчик используют для измерения температуры воздуха в
помещении, и дистанционного задания требуемой температуры. Технические
характеристики комнатного датчика температуры с задатчиком приведены в
таблице 4.4.2.
Т а б л и ц а 4.4.2 – Технические характеристики
3.
Канальный датчик температуры и влажности с активным выходом
Этот датчик используют для измерения относительной влажности и
температуры воздуха в канале. Технические характеристики канального
датчика температуры и влажности с активным выходом приведены в таблице
4.4.3.
Т а б л и ц а 4.4.3 – Технические характеристики
4.
Термостат защиты от замораживания.
Это устройство используют для слежения за температурой воздуха в
системах
вентиляции,
с
целью
обеспечения
защиты
от
замораживания. Технические
характеристики
термостата
защиты
от
замораживания приведены в таблице 4.4.4.
38
Т а б л и ц а 4.4.4 – Технические характеристики
5. Электропривод для клапанов с ходом штока 5,5 мм
Возможность ручного управления. Защита от перегрузки в конечных
положениях.
Пластиковый
корпус.
Использовать
с
клапанами VXG.
Привод с возвратной пружиной закрывает клапан под воздействием пружины.
Технические характеристики данного электропривода для клапанов приведены
в таблице 4.4.5.
Т а б л и ц а 4.4.5 – Технические характеристики
6. Циркуляционный насос с мокрым ротором
Этот циркуляционный насос с мокрым ротором предназначен для
осуществления циркуляции теплоносителя в замкнутых системах.
Технические характеристики данного устройства приведены в таблице
4.4.6.
Т а б л и ц а 4.4.6 – Технические характеристики
,
7. Кнопочный выключатель
Этот кнопочный выключатель предназначен для включения и
отключения системы. Технические характеристики данного кнопочного
выключателя приведены в таблице 4.4.7.
39
Т а б л и ц а 4.4.7– Технические характеристики
8.
Промышленные реле
Технические характеристики данного промышленного реле приведены в
таблице 4.4.8.
Т а б л и ц а 4.4.8 – Технические характеристики
9.
Датчик температуры погружной
Используют для измерения температуры неагрессивных жидкостей.
Технические характеристики данного датчика приведены в таблице 4.4.9.
Т а б л и ц а 4.4.9 – Технические характеристики
10. Датчик увлажнения DPWC111000
Область применения:
- используются для установки в жилых и коммерческих помещениях, где
важным аспектом является дизайн.
Описание:
- модельный ряд состоит из датчиков с выходным сигналом 0 – 10 B и
датчиков с выходным сигналом 0 – 1 В или 4 – 20 мА. Датчики можно
устанавливать на расстоянии до 200 м от контроллера без существенного
снижения точности измерения. Для некоторых моделей возможно сетевое
подключение через интерфейс RS485 по протоколу Carel или Modbus.
11.
Датчик давления для жидкостей (газов)
Датчик давления подходит для измерения статического и динамического
давления
выше
атмосферного
в
HVAC
системах.
40
Датчик работает на пьезо-резистивном принципе измерения. Керамическая
диафрагма (толстопленочная гибридная технология) измеряет давление
относительно окружаещего давления. Измерение преобразуется с помощью
электроники в линейный выходной сигнал 0...10 В постоянного тока.
Технические характеристики данного датчика давления приведены в таблице
4.4.10.
Т а б л и ц а 4.4.10 – Технические характеристики
12. Микропроцессорный датчик метана XT-21-3400-M
С аналоговым выходным сигналом 4...20 мА служит для мониторинга
окружающего воздуха и обнаружения горючих газов и паров метана в нижнем
взрывном уровне (LEL), посредством каталитического датчика.
Датчик метана XT-21-3400-M доступен с M2 EEx-d защитой для
взрывоопасной зоны 1 в шахтах и тоннелях. Датчик метана XT-21-3400M PolyXeta используется для обнаружения горючих или токсичных соединений
в районах, классифицированных как Группа I. Благодаря аналоговому выходу
4...20 mA датчик XT-21-3400-M совместим с любыми системами аналогового
управления, DDC/PLC или системами автоматизации (в том числе PolyGard
серии MGC и DGC от MSR-E).
13. Датчики высокого давления (до 6000 бар)
Технические характеристики данного датчика давления приведены в
таблице 4.4.11.
Т а б л и ц а 4.4.11 – Технические характеристики
Тип
Диапазон Основная
Применение
давлений погрешность
0,35/0,25 % Высокие
и Датчик давления с
ДИ
экстремально
тонкопленочным
высокие давления металлическим
рабочих
сенсором.
жидкостей
гидравлических
систем
14.Датчик перепада давления
Датчик перепада давления измеряет расход газа, пара и жидкости по
перепаду давления.
DMP
334
от
0…600
до
0…2500
бар
Описание
41
Технические характеристики данного датчика перепада давления приведены в
таблице 4.4.12.
Т а б л и ц а 4.4.12 – Технические характеристики
15.Воздушные фильтры грубой очистки
Технические характеристики данного воздушного фильтра грубой
очистки приведены в таблице 4.4.13.
Т а б л и ц а 4.4.13 – Технические характеристики
РекомендуСтепень
емый
ФильтруюРабочая
Крепеж-ные
Рама
очистки
конечный
щий материал
температура
элементы
EN 779
перепад
давления
корпуса
с
максимум
фронтальГальва70°С
при
ным
и
синтетическое низироG3,G4
длительной 250 Па
боковым
волокно
ванная
эксплуатаобслуживасталь
ции
нием и рамы
(FC корпуса)
16.Датчики дифференциального давления жидкости SPP
SPP110 – дифференциальный датчик давления для систем управления
микроклиматом. SPP110 данные по давлению преобразуются в сигнал 0–10В.
SPP110 поставляется с кабелем 2м и переходником на 1/2". Среда: жидкость,
совместимая с нержавеющей сталью.
17.Датчики низкого давления
Технические характеристики данного датчика низкого давления
приведены в таблице 4.4.14.
Т а б л и ц а 4.4.14 – Технические характеристики
Тип
Диапазон Основная
Применение
Описание
давлений погрешность
42
DMP
343
от 0 0,01 до 0
0,5/0,35
- 1 бар
%ВПИ
Особо
низкое
давление
неагрессивных
газов и сжатого
воздуха
Датчик
с
пьезорезистивным
кремниевым
сенсором.
17. Воздушный фильтр тонкой очистки
Фильтры систем автоматизации кондиционирования и подготовительные
фильтры в чистых помещениях.
Технические характеристики данного воздушного фильтра тонкой
очистки приведены в таблице 4.4.15.
Т а б л и ц а – 4.4.15 - Техническое описание
Тип
Рама
Фильтрующий Сепараматериал
тор
Высокоэффективный
фильтр
Полипропи- Стекловоленовая с локонная
фланцами
бумага
толщиной
25 мм
Материал Степень
для
очистки
уплотлот. EN779
Тугоплав- Полиуре- F6,F7,F8,
кие
тан
F9
буртики
18.Блок питания - PS 307
Блоки питания PS 307/ PS 307 производятся из компактных пластиковых
корпусов формата модулей S7-300. На передней панели каждого модуля
расположены:
- Индикатор выходного напряжения =24В.
- Переключатель выбора уровня входного напряжения.
- Выключатель питания.
Контакты под винт для подключения цепей входного и выходного напряжения,
а также цепей заземления, закрытые защитной пластиковой крышкой. Модуль
блока питания монтируется на стандартную профильную шину S7-300. Он не
имеет интерфейса подключения к внутренней шине контроллера, поэтому
устанавливается в крайней левой позиции монтажной стойки. Справа от него
монтируется модуль центрального процессора или интерфейсный модуль.
Подключение к центральному процессору или интерфейсному модулю
производится c помощью силовой перемычки, которая входит в комплект
поставки каждого блока питания. При необходимости блоки питания PS 305/ PS
307 могут монтироваться на стандартную 35 мм профильную шину DIN. Для
такой установки необходимы специальные монтажные адаптеры. При этом для
2 и 5 А блоков питания необходим один, для 10 А – два монтажных адаптера.
19.Роторный рекуператор
43
Роторный рекуператор Арктос RR используется
в системах
кондиционирования и канального кондиционирования воздуха. Основные
характеристики и технические параметры серии:
 снижение энергопотребления до 85%;
 снижение материальных затрат осуществляется: 1) в холодный
период года за счёт утилизации прогретости вытяжного воздуха; 2) в
теплое время года-посредством охлаждения приточного воздуха,
подаваемого в обслуживаемые помещения;
 имеет теплоизолированный корпус с фланцами для присоединения
к канальным системам кондиционирования стандартных типоразмеров;
 встроенный
регенеративный
теплообменник
на
вечных
подшипниках;
 двигатель, работающий в режиме вкл./выкл. или с регулированием
скорости вращения;
 управляется
с помощью электронного блока управления,
оснащенного многофункциональным частотным регулятором скорости
вращения, системой контроля работы регенератора и комплексной
защитой двигателя регенератора.
Технические характеристики данного роторного рекуператора приведены в
таблице 4.4.16.
Т а б л и ц а 4.4.16 – Технические характеристики
Модель
RR
1000x500
Рекомендованный Габариты, A/B/C/D/E/F, мм Вес, кг.
расход
воздуха,
м³/ч
4800–12600
1000/500/1580/1610/1100/120 340
20. Промышленная калориферная установка
21.Заслонки воздушные круглого сечения с электроприводом
Заслонки воздушные круглого сечения с электроприводом предназначены
для регулирования количества воздуха и невзрывоопасных газовоздушных
смесей, агрессивность которых по отношению к углеродистым сталям
обыкновенного качества не выше агрессивности воздуха, с температурой до 80
°С, не содержащих липких веществ и волокнистых материалов, с содержанием
пыли и других твердых примесей в количестве не более 100 мг/м3 и
применяются в системах вентиляции, кондиционирования воздуха и других
44
санитарно-технических системах с рабочим давлением до 1 500 Па (150кгс/м2).
Присоединительные размеры по фланцам заслонок соответствуют размерам по
ГОСТ 26270-84.
Технические характеристики заслонок воздушных круглого сечения с
электроприводом приведены в таблице 4.4.17.
Т а б л и ц а 4.4.17 – Технические характеристики
Обозна- Шифр Размеры, мм
D
D1 D2
чение
АЗД
122.000
Р 200 200
Э
250
230
H
478
B
265
ɑ Коли- Приd
чество, вод
штук
8 0
12
МЭО6,3/250,25
Мас
-са,
кг
S,
м
12,57
0,
02
7
2
22.Компрессор
Технические характеристики данного компрессора приведены в таблице
4.4.18.
Т а б л и ц а 4.4.18 – Технические характеристики
Модель OCTOPUS IS
Ед. измерения IS48X/XP
"Icetick"
Электрическая мощность
400 V, N3-трехфазная
Предохранитель
А
10
Компрессор, тип
Scroll
Номинальная мощность
kW
3,0
3
Мощность компрессора
m /h
11,41
0
Максимальное
С
55
поддержание
температуры воды
Теплоноситель
Пропан кг
1
R290
Давление мин/макс
bar
1,5/23
0
Испарение/конденсация
С
-33/+64
теплоносителя
Размеры испарителя
мм
810х980х2220
Размеры теплового насоса мм
515х555х630
Вес испарителя
кг
97
Вес теплового насоса
кг
87
Пульт управления
OctoEL 10
23.Промышленный конденсатор
Технические характеристики данного промышленного конденсатора
приведены в таблице 4.4.19.
45
Т а б л и ц а 4.4.19 – Технические характеристики
Модель
1/3HP
Деталь
L*W*
H
(MM)
310*43
*250
mm
G.W.P
QTYВ
ER
CTN/
CTN/K
PCS
G
290*17.5 10
15.6
Размер
упаковки
Длина
20HQ
QTY/P
CS
48*36*26
6.3
5800
26. Центральный процессор - CPU-314C-2 PN/DP
Конструктивные и функциональные особенности:
 Комбинированный интерфейс MPI/PROFIBUS DP поддерживает
функции ведущего или ведомого DP устройства.
 Центральный процессор компактен и имеет набор встроенных
каналов ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов и поддерживает
технологические функции.
 Интерфейс PROFINET имеет 2-канальный коммутатор.
 Контроллер PROFINET IO.
 Интеллектуальный
прибор
ввода-вывода
PROFINET
IO,
подключается к контроллерам SIMATIC или контроллерам других
производителей.
 Поддерживает технологии PROFINET CBA.
 Поддерживает функции PROFINET proxy для интеллектуальных
приборов PROFIBUS DP в системах PROFINET CBA.
 Встроен Web сервер, который поддерживает определяемые
пользователем страниц.
 Поддерживает изохронный режим в сети PROFINET.
 Имеет скоростной счет.
 Измеряет частоты следования импульсов.
 Измеряет периоды следования импульсов.
 Формирует последовательность импульсов и широтно-импульсную
модуляцию.
 Имеет высокую производительность при логической и
математической обработке данных.
 Подключает системы распределенного ввода-вывода через
PROFIBUS и PROFINET.
 Осуществляется PID регулирование.
 Управление позиционированием.
 Парольная
защита
для защиты от неправомерного доступа к программе.
46
 Кодирует
блоки
функции (FC) и функциональные блоки (FB) и может сохраняться в
памяти CPU в закодированной форме для защиты ноу-хау разработчика.
 Буфер
диагностических
сообщений
последние 500 сообщений об ошибках и прерываниях сохраняются в
буфере диагностических сообщений и могут использоваться для анализа
различных ситуаций. Последние 100 сообщений защищены от перебоев в
питании контроллера.
 При перебоях в питании контроллера центральный процессор
выполняет необслуживаемое сохранение данных объемом до 64 Кбайт в
микрокарте памяти SIMATIC Micro Memory Card. После восстановления
питания эти данные могут быть восстановлены и в дальнейшем
использованы для продолжения выполнения программы.
4.5 Разработка функциональной схемы автоматизации
Функциональная схема разрабатывается в виде чертежа, на котором
схематически условными изображениями показывают: технологическое
оборудование, коммуникации, органы управления и средства автоматизации с
указанием связей между технологическим оборудованием и средствами
автоматизации,
А также связей между отдельными функциональными блоками и
элементами автоматики.
Для технологических процессов с большим объемом автоматизации
функциональные схемы могут быть выполнены раздельно по видам
технологического контроля и управления. Например, отдельно выполняются
схемы автоматического управления, контроля и сигнализации [8].
На рисунке приведена схема системы автоматизации кондиционирования
воздуха в угольной шахте с вращающимся теплообменником (рекуператором),
калориферной установкой, холодильной машиной, оросительной камерой и
камерой смешения. С целью уменьшения потерь тепла (холода) часть воздуха
из вытяжного канала поступает в камеру смешения, где смешивается со свежим
приточным воздухом. Температура смешанного воздуха определяется
температурой наружного и вытяжного воздуха, а также их количеством.
Изменяя скорость вращения рекуператора, можно изменять количество тепла,
возвращаемого в помещение (эффективность рекуперации). Для защиты
рекуператора от замораживания скорость вращения снижается при
приближении температуры вытяжного воздуха в зимнее время к точке росы.
Для того чтобы не засорялся рекуператор, в схеме устанавливаются фильтры
очистки воздуха как в приточном, так и в вытяжном каналах, а также
обеспечивается периодическая "прокрутка" колеса не использующегося в
данный момент рекуператора при работающей установке. (см.рисунок 2.6).
Таким образом, система автоматического кондиционирования воздуха в
угольной шахте выполняет следующие:
47
 функции управления (включение, выключение, задержки);
 функции защиты (отключение при авариях, предупреждение
повреждений установки);
 функции регулирования (поддержание комфортных условий при
экономии энергии).
Обозначения указаны в таблице 4.4.19.
Рисунок 4.4.21 – Функциональная схема системы автоматизации
кондиционирования воздуха
Т а б л и ц а 4.4.19 – Спецификация
Окончание таблицы 4.4.19
48
Обозначение
Наименование
Прибор для измерения перепада давления, установленный на
щите
4.6 Разработка структуры программного обеспечения
Для разработки программного обеспечения на языке Step7 на основе
функциональной схемы системы был написан алгоритм (см.приложение Е).
Программирование подсистем реализуется посредством функциональных
блоков.
Здесь приняты следующие обозначения:
FC1 – функция подсистемы измерения – чтение данных с датчика;
49
FC2 – функция подсистемы измерения – нормирование данных;
FC3 – функция подсистемы измерения – вывод на аналоговый выход
OB35 – организационный блок циклического выполнения программы;
OB1 – организационный блок циклического выполнения программы
(основная программная единица) [7].
Формулировка задания
Управляющие функции обеспечивают
выполнение заложенных
алгоритмов нормального функционирования системы. К ним относятся
функции:

последовательность пуска;

последовательность остановки;

резервирующие и дополняющие.
А) Последовательность пуска
Для обеспечения нормального пуска кондиционера необходимо вести
следующую последовательность:
1. Предварительное открытие воздушных клапанов
Сначала открываются воздушные клапаны (ИМ9, ИМ10, ИМ11, ИМ12,
ИМ13) до пуска вентиляторов (ИМ6, ИМ7, ИМ8)., потому что не все клапаны в
закрытом
состоянии могут выдержать перепад давлений, создаваемый
вентилятором. Входное напряжение управления электроприводом 0-10 В
(пропорциональное позиционное управление при плавном регулировании) или
-24 В (-220 В) — двухпозиционное управление (открыто — закрыто).
2. Разнесение моментов запуска электродвигателей
Асинхронные электродвигатели имеют большие пусковые токи. Так,
компрессор (ИМ2) холодильной машины имеет пусковой ток, в 7-8 раз
превышающий рабочие (до 100 А). Если сразу запустить вентиляторы (ИМ6,
ИМ7, ИМ8), холодильные машины и другие приводы, то из-за большой
нагрузки на электрическую сеть сильно упадет напряжение, и электродвигатели
могут не запуститься. Поэтому запуск
электродвигателей необходимо
разделить по времени. Сначала двигатель ротора рекуператора (ИМ1). Затем
если температура в шахте превышает 270С, тогда включается двигатель
компрессора холодильной машины (ИМ2). А если температура в шахте меньше
220С, тогда включается катушка реле ТЭНа КУ (ИМ5).
3. Предварительный прогрев калориферной установки
Если включить систему (ПУСК), не прогрев калориферную установку, то
при низкой температуре наружного воздуха (Тн) может сработать защита от
замораживания (D6). Поэтому при включении системы (ПУСК) необходимо
открыть заслонки
приточного канала (ИМ9), включить ТЭН (ИМ5)
калориферной установки и прогреть калориферную установку. Как правило, эта
функция включается при температуре наружного воздуха (Тн) ниже 120С. А
также в системе с роторным рекуператором сначала включается вытяжной
вентилятор (ИМ8), затем начинает вращаться колесо рекуператора (ИМ1), а
после его прогрева вытяжным воздухом включается приточный вентилятор
(ИМ7).
50
Таким образом, последовательность включения в зимний период должна
быть следующей: вытяжная заслонка — вытяжной вентилятор — приточная
заслонка — рекуператор — ТЭН — приточный вентилятор; в летний: вытяжная
заслонка — вытяжной вентилятор — приточная заслонка — рекуператор —
компрессор ХМ — приточный вентилятор.
Б) Последовательность останова
1. Задержка остановки приточного вентилятора
В установках с калориферной установкой необходимо после снятия
напряжения с калорифера охлаждать ТЭН (ИМ5) некоторое время, не
выключая приточный вентилятор (ИМ7). В противном случае нагревательный
элемент калорифера (тепловой электрический нагреватель — ТЭН) (ИМ5)
может выйти из строя.
2. Задержка выключения холодильной машины
При выключении холодильной машины фреон сосредоточится в самом
холодном месте холодильного контура, т. е. в испарителе. При последующем
пуске может произойти гидроудар. Поэтому перед выключением компрессора
(ИМ2) сначала закрывается клапан (ИМ4), устанавливаемый перед
испарителем, а затем при достижении давления всасывания (D3) 2,0-2,5 бара,
компрессор (ИМ2)
выключается. Вместе с задержкой выключения
компрессора (ИМ2) производится задержка выключения приточного
вентилятора (ИМ7).
3. Задержка закрытия воздушных клапанов
Воздушные клапаны (ИМ9, ИМ10, ИМ11, ИМ12, ИМ13) закрываются
полностью только после того как остановятся вентиляторы (ИМ6, ИМ7, ИМ8).
Так как вентиляторы (ИМ6, ИМ7, ИМ8) останавливаются с задержкой, то и
воздушные клапаны (ИМ9, ИМ10, ИМ11, ИМ12, ИМ13) закрываются с
задержкой.
В) Защитные функции
Защитные функции срабатывают:
1) при выходе из строя вентиляторов или привода вентилятора (PD2 и
PD4);
a.
при повышении перепада давления на фильтрах (PD1 и PD3)
(засорение фильтров);
b.
при отклонении от допустимых значений питающего
напряжения, давлений, температур, токов холодильной машины;
c.
при перегреве и сгорании электрокалорифера (Т4).
Аналоговый датчик защиты от перегрева с самовозвратом КУ (Т7)
срабатывает после того, как температура воздуха за калориферной установкой
снизится до 40 "С, калорифер включится снова. При срабатывании аналогового
датчика защиты от возгорания калориферной установки (Т4) система
отключится, включить ее повторно можно будет только вручную после
устранения неисправности.
Контроль загрязненности фильтра оценивается падением давления (PD1 и
PD3) на нем, которое измеряется дифференциальным датчиком давления.
51
Датчик измеряет разность давлений воздуха до и после фильтра. Допустимое
падение давления на фильтре указывается в его паспорте (обычно 150-300 Па).
Эта разность устанавливается при наладке системы на дифференциальном
датчике (уставка датчика). При достижении предельной загрязненности
фильтра от датчика поступает сигнал о необходимости его обслуживания или
замены. Если в течение 24
часов после выдачи сигнала предельной
запыленности фильтр не будет очищен или заменен, произойдет аварийная
остановка системы.
Аналогичные датчики устанавливаются на приточном и вытяжном
вентиляторах (PD2 и PD4). Если выйдет из строя вентилятор или ремень
привода вентилятора, то система будет остановлена в аварийном режиме.
Досконально эти функции были рассмотрены выше. Для представления
входных и выходных данные необходимо разработать структурную схему
(см.приложение Е)
Обозначения:
1.
Кнопка «Пуск».
2.
Кнопка «Стоп».
3.
Кнопка «Выкл».
4.
Дискретный датчик температуры наружного воздуха – Dn;
5.
Аналоговый датчик температуры воздуха в шахте – D11;
6.
Аналоговый датчик разности давления фильтра – PD1;
7.
Светодиод - Л1;
8.
Аналоговый датчик разности давления фильтра – PD3;
9.
Светодиод - Л2;
10. Аналоговый датчик разности давления приточного вентилятора –
PD4;
11. Светодиод – Л3;
12. Аналоговый датчик разности вытяжного вентилятора– PD2;
13. Светодиод – Л4;
14. Аналоговый датчик пожарной сигнализации в шахте – D1;
15. Пожарная/дымовая сигнализация в шахте –Z1;
16. Катушка реле для включения двигателя ротора рекуператора- ИМ1;
17. Аналоговый датчик частоты вращения ротора – D2;
18. Аналоговый датчик температуры воздуха после рекуператора –D7;
19. Катушка реле для включения двигателя компрессора ХМ – ИМ2;
20. Катушка реле для открытия выпускного клапана ХМ – ИМ3;
21. Катушка реле для открытия всасывающего клапана ХМ – ИМ4;
22. Аналоговый датчик низкого давления ХМ - D3;
23. Аналоговый датчик высокого давления ХМ – D4;
24. Сигнализация работы компрессора ХМ –Z2;
25. Аналоговый датчик температуры воздуха после оросительной камеры
– D9;
26. Катушка реле для включения двигателя ТЭНа – ИМ5;
27. Дискретный датчик температуры на вытяжном канале – D12;
52
28. Аналоговый датчик давления в КУ – PD5;
29. Катушка реле для включения двигателя вентилятора КУ – ИМ6;
30. Аналоговый датчик защиты от возгорания калориферной установки –
D10;
31. Аналоговый датчик температуры воздуха после камеры смешения –
D8;
32. Катушка реле для включения двигателя приточного вентилятора –
ИМ7;
33. Катушка реле для включения двигателя вытяжного вентилятора –
ИМ8;
34. Катушка реле для открытия приточной заслонки – ИМ9;
35. Катушка реле для открытия вытяжной заслонки – ИМ10;
36. Катушка реле для открытия заслонки КС наружного воздуха – ИМ11;
37. Катушка реле для открытия заслонки КС рециркуляционного воздуха
– ИМ12;
38. Катушка реле для открытия заслонки КС удаляемого воздуха – ИМ13;
39. Катушка реле для включения насоса ОК – ИМ14;
40. Катушка реле для открытия шарового клапана ОК-ИМ15;
41. Светодиод – Л5;
42. Аналоговый датчик потока воздуха в приточном канале – D6;
43. Аналоговый датчик защиты от перегрева с самовозвратом КУ – D13;
44. Звуковая сигнализация загрязнённости фильтров – Z3;
45. Светодиод – Л6;
46. Звуковая сигнализация останова вентиляторов – Z4.
Для представления соответствия входных и выходных данных на
структурной и электрической схеме была построена таблица соответствий
(см.приложение Ж).
4.6.1 Разработка программного обеспечения нижнего уровня
Для разработки программного обеспечения нижнего уровня в первую
очередь необходимо создать организационный блок ОВ1, который
предназначен для программирования основной части программы. Затем
организационный блок. Для чтения данных с данных датчика, нормирования
данных и вывода на аналоговый выход были созданы функции FC, FC2 и FC3
(см.рисунок 4.6.1).
Были составлена таблица с перечнем всех символов с назначенными
адресами входов и выходов программных блоков (см. приложение Е)
53
Рисунок 4.6.1 – Блоки, используемые в программе
В ПО TIA Portal V11 можно видеть устройства, которые были выбраны
для проекта. В проекте был выбран блок питания, .ЦПУ 314C-2 PN/DP, а также
дискретный модуль ввода-вывода и аналоговый модуль ввода (см. рисунок
4.6.2) .
Рисунок 4.6.2 – Вид окна «Device view»
4.6.2 Разработка программного обеспечения верхнего уровня
Для визуализации программного обеспечения верхнего уровня была
использована программма TIA Portal V11. И устройство визуализации выглядит
следующим образом: (см.рисунок 4.6.3).
54
Рисунок 4.6.3 – Объект HMI device
Для соединения программы с визуализацией нужно установить связь
между PLC device и HMI device. Эта связь устанавливается автоматически (см.
рисунок 4.6.4).
Рисунок 4.6.4 – Связь HMI device и PLC
Установленную связь также можно увидеть в окне «Network view». Здесь
показан IP адрес каждого оборудования (см.рисунок 4.6.5)
55
Рисунок 4.6.5 - Вид окна «Network view».
Для соединения переменных с программой Step7 были созданы объекты
Tags (см.рисунок 4.6.6)
56
57
Рисунок 4.6.6 – Объекты PLC Tags
58
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКСА
СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗАЦИИ
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ, ПОДОГРЕВА И ФИЛЬТРАЦИИ ВОЗДУХА В
ШАХТЕ НА БАЗЕ СПЛК
5.1 Исследование режимов управления с диспетчерского пункта
Управление с диспетчерского пункта была разработана в пошаговом
описании ситуации технологического процесса для визуализации работы
системы. Главное операторское окно дает возможность войти в подсистемы
управления, регулирования и диспетчерский пункт, а также выйти из
программы (см.рисунок 5.1)
Рисунок 5.1 – Внешний вид главного окна диспетчера основной
программы
Были описаны различные ситуации работы системы. С правой стороны
представлена таблица VAT для просмотра работающих элементов. А с левой
стороны входные и выходные данные для просмотра и их регулирования. При
59
первой ситуации видим что кнопка «Пуск» нажата. При этом включаются
приточный и вытяжной вентиляторы (см.рисунок 5.2)
1.
При нажатии кнопки «Пуск», не нажаты кнопки «Стоп»и «Выкл»
Рисунок 5.2 – Внешний вид работы программного обеспечения нижнего
уровня
Для наблюдения включения вентиляторов используется HMI device
(см.рисунок 5.3).
Рисунок 5.3 – Внешний вид окна «Подсистема управления»
60
Для обнаружения повреждений системы или их неработоспособность
было создано окно «Диспетчерского управления» (см.рисунок 5.4)
.
Рисунок 5.4 – Внешний вид окна «Диспетчер управления»
Рисунок 5.5 – Внешний вид окна «КУ»
61
2.
При не нажатии кнопки «Пуск» и «Выкл», нажата кнопка «Стоп»
включаются только вентиляторы (см.рисунок 5.6)
Рисунок 5.6 – Внешний вид работы программного обеспечения нижнего
уровня
3.
При не нажатии кнопки «Пуск» и «Стоп», нажата кнопка «Выкл».
При этом вся система отключаются (см.рисунок 5.7).
Рисунок 5.7 – Внешний вид работы программного обеспечения нижнего
уровня
62
4.
При срабатывании аналоговых датчиков Д11<20C или Дн<12C
(см.рисунки 5.8).
Рисунок 5.8– Внешний вид работы программного обеспечения нижнего
уровня
5.
При срабатывании аналоговых датчиков Д11<20C или Дн>12C
(см.рисунки 5.9).
Рисунок 5.9– Внешний вид работы программного обеспечения нижнего
уровня
63
6.
При срабатывании аналоговых датчиков Д11>25C или Дн>12C
(см.рисунки 5.10).
Рисунок 5.10– Внешний вид работы программного обеспечения нижнего
уровня
7.
При срабатывании аналоговых датчиков Д11<25C или Дн>12C
(см.рисунки 5.11).
Рисунок 5.11– Внешний вид работы программного обеспечения нижнего
уровня
64
8.
Аналоговые датчики разности давления при значениях PD1,
PD3≤150 бар на фильтрах сигнализирует о загрязнении фильтра, при этой
ситуации соответственно загораются светодтоды Л1 и Л3 (см.рисунок 5.12).
.
Рисунок 5.12 – Внешний вид работы программного обеспечения нижнего
уровня
9.
Аналоговые датчики разности давления при значениях PD2,
PD4≤150 бар на вентиляторах сигнализирует о загрязнении фильтра, при этой
ситуации соответственно загораются светодтоды Л2 и Л4 (см.рисунок 5.13).
Рисунок 5.13 – Внешний вид работы программного обеспечения нижнего
уровня
65
10. Аналоговый датчик разности давления при значениях PD5≤150 бар
на вентиляторах сигнализирует о загрязнении фильтра, при этой ситуации
соответственно загораются светодтоды Л5 (см.рисунок 3.11).
Рисунок 5.14 – Внешний вид работы программного обеспечения нижнего
уровня
66
Заключение
Калориферная установка имеет практическое применение. Как было уже
сказано калориферная установка используются в различных
отраслях
производства. Автоматизация технологических процессов является одним из
решающих факторов повышения производительности и улучшения условий
труда. Все существующие и строящиеся промышленные объекты в той или
иной степени оснащаются средствами автоматизации. В производстве на
дальнейшую автоматизацию простейших технологических процессов (каким и
является калориферная установка) мало выделяются средств. В шахтах
калориферная установка является одним из крупных энергопотребителей,
поэтому автоматизация калориферной установки наиболее выгодно.
На предприятия добычи и выработки руды калориферные установки
являются одним из крупных потребителей энергии, осуществляющие нагрев
воздуха, подаваемого в шахту для проветривания горных выработок. В
настоящее время для подогрева воздуха, поступающего в шахту не хватает
мощности одной калориферной установки и поэтому были поставлены и
решены новые задачи.
Представленный диссертационный проект посвящен автоматизации
системы кондиционирования воздуха в шахте на базе СПЛК.
В данной магистерской диссертации была достигнута поставленная цель:
разработан программно-технический комплекс системы автоматизации
кондиционирования, подогрева и фильтрации воздуха в шахте на базе СПЛК.
Результатами данной работы являются выполненные задачи:

исследованы особенности автоматизации процессов калориферной
установки в угольных шахтах;

созданы математические описания зависимостей технологических
параметров от управляющих воздействий для объекта управления температуры
и давления воздуха в угольных шахтах;

Произведен обзор литературы по существующим предложениям о
реализации систем автоматизации кондиционирования воздуха на базе
контроллеров Simatic;

разработаны различные варианты систем автоматизированного
управления кондиционирования воздуха на макете калориферной установки;

выработаны рекомендации по результатам исследований на макете
калориферной установки.
С результатами данной выпускной работы автор приняла участие и
выступила на следующих конференциях:

XIII, XIV научно-технические студенческие конференции-конкурсы
на лучшую научно-исследовательскую студенческую работу АУЭС. (2011 год;
диплом третьей степени, 2012 год);

Научная конференция молодых ученых «Наука и образование 2011» (Астана, диплом первой степени, 2011 год);
67

III, IV
Республиканская студенческая научно-практическая
конференции по математике, механике и информатике (Астана, диплом за
активное участие, 2012 год);

XII Республиканская научно-техническая конференция молодых
ученых и студентов «Творчество молодых – инновационному развитию
Казахстана» (Усть-Каменогорск, диплом первой степени, 2012 год).
Список сокращений
ПО – программное обеспечение
САУ – система автоматического управления
СКВ – система кондиционирования воздуха
СПВУ – схема проветривания выемочных участков
МСАУ – многосвязная система автоматического управления
ВК – вычислительный комплекс
ОП – обслужимое помещение
68
Список использованной литературы
1.
Шевчук С. П. Повышение эффективности водоотливных установок.
– Киев.: Техника, 1991.-53с.
2.
АС. Клюев ЕВ. Глазов
А.Х. Дубровский А А. Клюев.
Проектирование
систем
автоматизации
технологических
процессов.
Справочное пособие.:Москва.:Энергоатомизад, 1990.
3.
В. Я. Ротач, В. Ф. Кузищин, А. С. Клюев. Автоматизация настройки
систем управлени.:Москва.: Энергоавтомизад, 1984.
4.
И. Г. Ивановский. Проектирование проветривания и калориферных
установок шахт: Учебное пособие. – Владивосток: Издательство ДВГТУ, 2000.107с
5.
Д.В.Кузьмин. Руководство по проектированию вентиляции
угольных шахт.-Макеевка-Донбась, 1989
6.
Канторовича В.И. «Автоматизации холодильных установок»
М.:«Агропромиздат», 1987г., с. 136.
7.
Копесбаева А.А, Тагауова Р.С., Самашова А.К., Перебейносова Е.С.
Эффективное регулирование параметрами калориферной установки. Научная
конференция молодых ученых «Наука и образование - 2011»(Астана, диплом
первой степени,2011 год);
8.
Копесбаева А.А, Тагауова Р.С., Самашова А.К., Перебейносова
Е.С. Эффективное регулирование параметрами калориферной установки. III, IV
Республиканская студенческая научно-практическая конференции по
математике, механике и информатике (Астана, диплом за активное участие,
2012 год);
9.
Копесбаева А.А, Тагауова Р.С., Самашова А.К., Перебейносова
Е.С. Эффективное регулирование параметрами калориферной установки. XII
Республиканская научно-техническая конференция молодых ученых и
студентов «Творчество молодых – инновационному развитию Казахстана»
(Усть-Каменогорск, диплом первой степени,2012 год).
10. Г. И. Данильчук, С. П. Шевчук, П. К. Василенко Автоматизация
электропотребления водоотливных установок. – Киев.:Технiка, 1981.-102с.
11. Петров И.В. Программируемые контроллеры.Стандартные языки и
приемы прикладного проектирования / Под ред. Проф. В.П. Дьяконова.М.:СОЛОН-Пресс, 2004. – 256 с.:ил. – (Серия «Библиотека инженера»).
12. А.А.Копесбаева Микропроцессорные средства и программнотехнические комплексы. Методические указания к лабораторным работам (для
студентов специальности 36.03 Автоматизация технологических процессов и
слушателей ФПК) – АИЭС, Алматы 2001 год.
13. Э.Парр Программируемые контроллеры
14. Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха:
[Учеб. пособие] / Е. С. Бондарь, А. С. Гордиенко, В. А. Михайлов, Г. В. Нимич.
Под общ. ред. Е. С. Бондаря - К.: ТОВ «Видавничий будинок «Аванпост-Прим»
2005. - 560 е.: ил. - Библиогр.: с. 548-549.
69
Приложение А
Листинг программы организационного блока ОВ1
70
Продолжение приложения А
71
Продолжение приложения А
72
Продолжение приложения А
73
Продолжение приложения А
74
Продолжение приложения А
75
Продолжение приложения А
76
Продолжение приложения А
77
Продолжение приложения А
78
Продолжение приложения А
79
Продолжение приложения А
80
Продолжение приложения А
81
Продолжение приложения А
82
Продолжение приложения А
83
Продолжение приложения А
84
Продолжение приложения А
85
Продолжение приложения А
Продолжение приложения А
86
Продолжение приложения А
87
Продолжение приложения А
88
Продолжение приложения А
89
Продолжение приложения А
90
Продолжение приложения А
91
Продолжение приложения А
92
Продолжение приложения А
93
Окончание приложения А
94
Приложение Б
Листинг програмы функции FC1: Чтение данных с датчика
95
Приложение В
Листинг програмы функции FC2 - нормирование данных
96
Приложение Г
Листинг програмы функции FC3 - вывод на аналоговый выход
97
Приложение Д
Алгоритм основной программы
98
НАЧАЛО
Нет
PUSK=1
Да
Да
STOP=1
Нет
Да
VYKL=1
Нет
Да
Нет
Tn<12C
IM5=1
IM10=1, IM9=1,
IM11=1, IM12=1,
IM13=1
Да
T=30cek
IM8=1
Нет
Да
T=30cek
IM1=1
Нет
Нет
Да
Да
IM5=0?
T5<20C
T5>26C
Нет
Да
Нет
IM5=1
IM3=1,
IM4=1
T=30cek
Нет
Да
IM2=1
IM6=1
Z2=1
Нет
T=30cek
Да
IM7=1
КОНЕЦ
Продолжение приложения Д
99
НАЧАЛО
Да
PUSK=1
Нет
Нет
STOP=1
Да
VYKL=1
Нет
IM5=1
Нет
Да
IM5=0
IM4=0
Да
Нет
IM2=0
D3<2
IM1=0
IM7=0
IM6=0
IM8=0
IM9=0, IM10=0,
IM11=0, IM12=0,
IM13=0
КОНЕЦ
Окончание приложения Д
100
НАЧАЛО
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
T7<40C
T4>150C
Да
PD2<150Pa
PD4<150Pa
Нет
PD1<150Pa
PD3<150Pa
Да
Да
Да
IM5=0
L2=1
Да
Да
L1=1
L4=1
L3=1
C1=C+1
Z3=1
Z4=1
Нет
C1=4
Да
Нет
Да
Нет
D5<150Pa
D6<100Pa
Да
L5=1
L6=1
IM5=0
VYKL=1
КОНЕЦ
Приложение Е
Структурная схема ПО
101
Приложение Ж
Электрическая схема ПО
102
Окончание приложения Ж
103
Приложение Л
Соответствие обозначений на электрической и структурной схем
104
Вход
Структурная схема Электрическая схема
Pusk
Stop
Vykl
D1
D2
D3
D4
D5
I0.0
I0.1
I0.2
PIW270
PIW272
PIW274
PIW276
PIW278
D6
PIW280
D7
D8
PIW282
PIW284
D9
PIW286
D10
D11
D12
D13
PIW288
PIW290
I0.3
PIW292
Dn
PIW294
PD1
PD2
PD3
PD4
PD5
PIW296
PIW298
PIW300
PIW302
PIW304
Окончание приложения Л
105
Выход
Структурная схема Электрическая схема
Z1
Q0.0
Z2
Z3
L1
Q0.1
Q0.2
Q1.0
L2
Q1.1
L3
Q1.2
L4
Q1.3
L5
IM1
IM2
IM3
IM4
Q1.4
Q2.0
Q2.1
Q2.2
Q2.3
IM5
IM6
IM7
Q2.4
Q2.5
Q2.6
IM8
Q2.7
IM9
Q3.0
IM10
Q3.1
IM11
Q3.2
IM12
Q3.3
IM13
Q3.4
IM14
Q3.5
IM15
Q3.6
106