МОДУЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ОТОПИТЕЛЬНЫМ СТОЯКОМ

Заявляемый модуль автоматизированного управления отопительным стояком предназначен для работы в качестве составляющего компонента автоматизированных систем учета и управления теплоснабжением зданий и сооружений.
Область применения модуля - системы технологического и коммерческого учета, автоматизированного контроля технологических процессов на объектах жилищно-коммунального хозяйства, а также объектах других отраслей промышленности, в условиях круглосуточной эксплуатации.
Известна автоматизированная информационная система для контроля и управления работой отопительной котельной с водогрейными котлами, описанная в одноименном патенте РФ №2340835 по кл. F24D 19/10, з. 09.01.2007, oп. 10.12.2008.
Автоматизированная информационная система включает внутренний и внешний контуры отопления, при этом внутренний контур включает водогрейные котлы с газовыми колонками, теплообменниками и сетевыми насосами с выходом через теплообменники на внешний контур с сетевыми насосами и системой отопления с регулированием параметров сети с помощью газовых горелок и подпиточных насосов.
Датчики давления находятся на входе и выходе насоса, датчики температуры установлены в прямом и обратном трубопроводах. Сигналы с датчиков давления и температуры подаются в микропроцессорные контроллеры, сигналы с которых для обработки и хранения подаются в ЭВМ, где по ним вычисляется отпущенная теплота. Программное регулирование подаваемого тепла обеспечивается в соответствии с программой, заложенной в микропроцессорном контроллере. Измерение и регулирование расхода осуществляется насосной установкой, содержащей насосы различной производительности.
Недостатком известной системы является ее сложность, обусловленная наличием двух контуров управления.
Известна система автоматического регулирования отопления здания с учетом климатических факторов, описанная в одноименном патенте РФ №2247422 по кл. G05D 23/19, з. 13.05.04, оп. 27.02.05.
Известная система содержит локальный контроллер, погружной датчик температуры теплоносителя и датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, расположенные соответственно на одном из внешних фасадов здания и в помещении со стороны этого фасада, при этом на трубах установлен регулирующий клапан, связанный с наружными тепловыми сетями, циркуляционный насос и между ними перемычка, соединяющая прямой и обратный трубопроводы, причем исполнительный механизм регулирующего клапана и электропривод циркуляционного насоса подключены к выходам устройство обработки, выполненного в виде локального контроллера, также в системе имеются дополнительные регулирующие клапаны, датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, дополнительное устройство обработки в виде дополнительного контроллера и расположенные после циркуляционного насоса гидравлические распределители с ветвями системы отопления по фасадам здания с дополнительными регулирующими клапанами, при этом датчики температуры наружного и внутреннего воздуха через адаптер связи подключены к цифровому коммуникационному порту дополнительного контроллера, связанному с цифровым коммуникационным портом локального контроллера. При этом сигналы от датчиков температуры, поступающие на входы устройств обработки - контроллеров, преобразуются в них в цифровые. Затем управляющая команда от устройства обработки - локального контроллера преобразуется в электрический сигнал и подается на исполнительный механизм. В дополнительном устройстве обработки - контроллере сравниваются температуры датчиков с разных фасадов, выявляется самая низкая температура и выдается команда для устройства обработки - локального контроллера на переход его на алгоритм управления с учетом температуры самого холодного фасада.
Недостатком известной системы является ее сложность, обусловленная необходимостью пофасадного авторегулирования температур и приводящая к наличию второго устройства обработки, установке множества датчиков температуры, наличию множества подающих и обратных трубопроводов. Большое количество входящих в систему элементов снижает надежность ее работы. При этом эксплуатационные возможности системы ограничены, т.к. ее устройства обработки, выполненные на контроллерах, выполняют только функции преобразования сигналов, сравнения их друг с другом и выдачу команд на исполнительные механизмы. В них не осуществляется ни сохранения данных, ни вычисления количества потребленной энергии.
Задачей заявляемого модуля является расширение эксплуатационных возможностей схемы при повышении надежности ее функционирования.
Поставленная задача решается тем, что в модуле автоматизированного управления отопительным стояком, содержащем узлы приема данных с датчиков температуры датчиков расхода, связанные с устройством обработки сигнала, включающим аналого-цифровой преобразователь, схему сравнения, и интерфейс, связывающий устройство обработки с линией передачи команд на исполнительный механизм, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, в него дополнительно введены тепловычислитель, вход которого соединен с выходом устройства обработки, подключенные к выходу тепловычислителя последовательно соединенные блок задания программ и пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, соединенный выходом с исполнительным механизмом, а также подключенное ко второму выходу тепловычислителя энергонезависимое устройство памяти, связанное через интерфейс с линией передачи данных.
Введение в модуль дополнительно тепловычислителя в совокупности наличием связанных с выходами тепловычислителя цепочки из блока задания программ и пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, а также энергонезависимого архива дает возможность определить различные параметры теплоносителя - его температуру, разность температур, энтальпию, разность энтальпий, объемный и массовый расходы воды и тепла, затем в соответствии с программой, заданной блоком задания программ по результатам работы тепловычислителя, с помощью ПИД-регулятора и исполнительного механизма внести при необходимости корректировки в работу теплового стояка и сохранить полученные данные, что расширяет эксплуатационные возможности прибора и при весьма простой схеме модуля повышает его надежность.
Технический результат - возможность вычисления различных параметров теплоносителя и внесения точно рассчитанной корректировки в работу стояка, а также сохранения данных в архиве.
Заявляемый модуль обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков как наличие тепловычислителя, вход которого соединен с выходом устройства обработки, подключенных к выходу тепловычислителя последовательно соединенных блока задания программ и ПИД-регулятора, соединенного выходом с исполнительным механизмом, а также блока энергонезависимого архива данных, связанного через интерфейс с линией передачи данных, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемый модуль может найти широкое применение в жилищно-коммунальном хозяйстве, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг.1 - функциональная схема модуля автоматизированного управления отопительным стояком;
- фиг.2 - таблица 1 (типы датчиков и диапазон измерения);
- фиг.3 - таблица 2 (параметры подключаемых счетчиков);
- фиг.4 - таблица 3 (расчетные параметры архива);
- фиг.5 - таблица 4 (виды архивов).
Заявляемый модуль автоматизированного управления отопительным стояком (фиг.1) содержит узлы 1 приема данных с датчиков температуры в прямо и обратном трубопроводах и узлы 2 приема расхода в прямом и обратном трубопроводе, связанные с входами устройства 3 обработки входных сигналов. В него входят также тепловычислитель 4, вход которого соединен с выходом устройства 3 обработки входных сигналов, подключенные к выходу тепловычислителя 4 последовательно соединенные блок 5 задания программ и ПИД-регулятор 6. При этом выход ПИД-регулятора 6 связан через разъем 7 с исполнительным механизмом, а второй выход тепловычислителя 4 соединен с энергонезависимым устройством 8 памяти, связанным через интерфейс 9 с линией передачи данных.
Назначение и выполнение узлов и блоков модуля следующее.
Узлы 1 и 2 приема данных содержат разъемы для подсоединения выходов датчиков к устройству 3 обработки входных сигналов.
Устройство 3 служит для обработки входных сигналов с датчиков температуры и расхода, содержащее в своем составе элементы для аналого-цифрового преобразования сигналов, осуществления функции фильтрации, масштабирования, коррекции результатов обработки (иначе - калибровки измерения входных величин температуры и расхода теплоносителя по эталонным мерам).
Тепловычислитель 4 служит для определения различных параметров теплоносителя - температуры, разности температур, энтальпии, разности энтальпий, объемного расхода, массового расхода, объема, массы, тепла.
Блок 5 предназначен для задания программ работы модуля автоматизированного управления отопительным стояком в зависимости от времени года. Разность температур, поддерживаемая модулем автоматизированного управления отопительным стояком, различна для разных времен года и записана в памяти программ, но может корректироваться в зависимости от условий эксплуатации пользователем.
Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор 6 служит для оптимизации режима регулирования - уменьшения перерегулирования разности температур отопительных стояков и более быстрого выхода к заданному значению при различных возмущениях системы, вызывающих отклонение регулируемого параметра от заданного. Сигнал управления с пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора 6 подается на исполнительный механизм управления регулирующего клапана отопительного стояка.
Разъем 7 служит для подключения электродвигателя исполнительного механизма.
Энергонезависимое устройство 8 памяти служит архивом и предназначено для хранения всех измеренных и вычисленных значений и для дальнейшей передачи их по проводному интерфейсу 9 (RS-485) сначала на домовой концентратор, а затем и на диспетчерский пункт управления режимами отопления зданий.
Конструктивно модуль представляет собой моноблочную конструкцию. В состав модуля входят корпус для крепления на стену и плата прибора с элементами индикации для отражения рабочего состояния прибора, датчиков и сети (на чертеже не показаны).
Данный прибор может эксплуатироваться в сложных условиях подвального помещения. Это означает, что возможен резкий перепад температур от минус 5°С до +50°С, с элементами сильной запыленности помещения, повышенной влажности, вплоть до прямого попадания струй воды на корпус прибора и образования плесени. Надежная работа элементов прибора при таких условиях возможна только в герметичном корпусе. По защищенности от воздействия внешних твердых предметов и воды модуль должен соответствовать исполнению IP 55 по ГОСТ 14254.
Для крепления прибора на стену здания, необходимо, чтобы корпус прибора имел крепежные отверстия. При этом отверстия для крепежа на стену и фиксации крышки должны находиться вне герметизированной области.
На верхней и нижней стенке прибора размещаются гермовводы для ввода цепей питания, датчиков и интерфейса. Этим обеспечивается герметизация подводящих кабелей.
На плате размещены все элементы электронной схемы прибора, отвечающие за измерение входных сигналов, вычисление и архивирование выходных данных, а также за индикацию рабочего состояния прибора, датчиков и сети.
Общий принцип герметизации корпуса накладывает некоторые ограничения на подключение к прибору внешних цепей. Самым целесообразным вариантом является подключение проводов внутри прибора при помощи разъемов с винтовым креплением.
Заявляемый модуль работает следующим образом.
Через узлы приема 1 и 2 (разъемы) сигналы с датчиков температуры и расхода поступают на устройство 3 обработки входных сигналов, а с его выхода - на тепловычислитель 4. По полученным значениям тепловычислитель 4 вычисляет искомые значения температур, а также выполняет все арифметические операции по вычислению выходных параметров.
Весь цикл измерения, вычислений и регулирования производится с периодичностью 1 раз в секунду, что позволяет очень оперативно отслеживать изменения температур в трубопроводах и производить качественное регулирование.
Все эти значения накапливаются и сохраняются в энергонезависимом устройстве 8 памяти. Также устройство 8 необходимо для сохранения в энергонезависимой памяти калибровочных коэффициентов и настроек.
С помощью интерфейса 9 (RS-485) любое внешнее устройство, которое является ведущим в сети, может прочитать значение любого вычисляемого параметра, или архив данных (часовой, суточный, месячный, архив событий).
Для выполнения модулем функций регулирования к разъему 7 подключается электродвигатель редуктора, который управляет положением клапана, регулируя тем самым объем протекающей жидкости в трубопроводе.
Узлы сетевого интерфейса и управления двигателем имеют 100% гальваническую развязку по постоянному току, обеспечивая надежную защиту измерительного тракта от проникновения внешних помех из сети, а также помех двигателя управления клапана. Это значительно улучшает метрологические характеристики прибора, повышает его устойчивость к электромагнитным помехам.
В общем случае модуль предназначен для:
- измерения выходных сигналов первичных импульсных преобразователей (ИП) и преобразования их в соответствующие физические величины, измеряемые ИП;
- расчета объемного и/или массового расхода воды с помощью датчиков расхода (количества) со стандартными числоимпульсными выходами;
- расчета количества тепловой энергии в закрытых системах теплоснабжения и в отдельных трубопроводах;
- автоматизированной балансировки теплового режима стояка;
- измерение температуры прямого и обратного теплоносителя.
Модуль имеет следующие технические характеристики.
Модуль имеет два входа для подключения термопреобразователей сопротивления по четырех - проводной схеме. Сопротивление каждой линии связи, распределенное по длине линии связи, не более 25 Ом. Типы датчиков и диапазон измерения приведены ниже в таблице 1 (фиг.2).
Модуль имеет два импульсных входа для подключения счетчиков расхода теплоносителя, установленных в подающем или обратном трубопроводах с числоимпульсными выходами.
Тип выходов счетчиков - «сухой контакт» или «открытый коллектор».
Параметры подключаемых счетчиков приведены в таблице 2 (фиг.3).
Цена одного выходного импульса датчика выбирается из ряда: 0.25, 0.5, 1.0, 2.5, 5.0, 10, 25, 50, 100.
Величины токов нагрузки через узлы числоимпульсных выходов, подключаемых к соответствующим входам модуля расходомеров (счетчиков), не превышают 2 мА.
Модуль обеспечивает измерение всех входных сигналов датчиков не реже 1 раза в секунду.
Модуль сохраняет в энергонезависимой памяти (архиве) следующие расчетные параметры, приведенные ниже в таблице 3 (фиг.4).
Модуль обеспечивает сохранение в энергонезависимой памяти следующих видов архивов, приведенные ниже в таблице 4 (фиг.5).
Модуль выдает по запросу значения текущих параметров:
- температур воды в подающем и обратном трубопроводе, °С и КДж/кг;
- энтальпий воды в подающем и обратном трубопроводе, КДж/кг;
- разницы значений температур в подающем и обратном трубопроводе, °С;
- разницы значений энтальпий в подающем и обратном трубопроводе, КДж/кг;
- приведенного к часу значения объемного расхода воды, м3/ч;
- приведенного к часу значения массового расхода воды, кг/ч;
- приведенного к часу значения потребления количества тепла, Гкал/ч;
- количество считанных импульсов по каждому из числоимпульсных входов на момент запроса.
Модуль имеет два импульсных выхода для управления клапаном балансировки теплового режима стояка. Электрические параметры импульсных выходов следующие:
- максимальное значение выходного тока - 1 А;
- переменное напряжение питания импульсных выходов - 24 В.
Для балансировки теплового режима стояка используется регулирующий клапан. В качестве исполнительного механизма используется редукторный электропривод с Uпит=~24 В.
Модуль работает от источника постоянного или переменного тока с напряжением (20±10) В.
Потребляемая мощность модуля от сети переменного тока напряжением 24 В с частотой 50 Гц, не превышает 0,5 ВА.
Модуль устойчив к провалам и пропаданию напряжения питания длительностью до 0,5 с.
Для питания редукторного электропривода клапана балансировки используется переменное напряжение (24+2.4) В и (24-3.6) В с частотой 50 Гц. Номинальная мощность источника питания 2,2 ВА.
Предусмотренная в модуле встроенная светодиодная индикация, состоящая из четырех световых индикаторов, информирует о следующих ситуациях:
- потеря связи с домовым концентратором (использовать двухцветный светодиод, зеленое свечение - связь в норме, красное свечение - связь потеряна);
- неисправность или обрыв датчиков температуры (по одному красному светодиоду на каждый датчик);
- обрыв датчика расхода теплоносителя в основном (согласно схеме учета) трубопроводе (красный светодиод);
Модуль обеспечивает связь с домовым концентратором или персональным компьютером (с помощью сервисного программного обеспечения) по интерфейсу RS-485, используя протокол Modbus-RTU.
Протоколом поддерживается возможность передачи всех текущих и архивных параметров модуля, перечисленных выше.
Скорость передачи данных по интерфейсу RS-485 устанавливается при помощи сервисной программы. Значение скорости выбирается из ряда: 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/сек.
Процедуры конфигурирования, калибровки и поверки модуля осуществляются через интерфейс (RS-485) с помощью технологического сервисного программного обеспечения.
В сравнении с прототипом заявляемый модуль автоматического управления отопительным стояком имеет более широкие эксплуатационные возможности и является более надежным в работе.