УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ ПУНКТОМ

Полезная модель относится к области отопления и горячего водоснабжения и предназначено для контроля и автоматического управления работой индивидуального теплового пункта (ТП) жилого или производственного здания, поддержания заданной температуры в отапливаемых помещениях путем регулирования подачи теплоносителя в первичном контуре системы отопления с целью создания в помещениях комфортных условий, регулирования подачи теплоносителя в первичном контуре системы горячего водоснабжения (ГВС) для поддержания параметров работы вторичного контура горячего водоснабжения в пределах санитарных норм, обеспечения автоматического управления работой индивидуального теплового пункта без постоянного присутствия обслуживающего персонала, обеспечения экономного потребления тепловой энергии.
Широко применяются устройства управления индивидуальными тепловыми пунктами жилых или производственных зданий, использующие сбор информации с датчиков температуры, расположенных внутри и вне здания для определения программы работы теплового пункта (TП) в зависимости от текущей температуры наружного воздуха, температуры в здании и фактической температуры теплоносителя и регулирующие работу теплового пункта путем автоматического изменения положения клапанов регулирующих систем отопления и/или ГВС.
К устройствам такого типа относится управляющее устройство для отопительной установки - погодный компенсатор ECL COMFORT 300 С 66 (руководство пользователя №V1.7C.C1.50, производитель - DANFOSS, DK, http://www.heating.danfoss.ru), содержащее органы управления работой отопительной установки, индикатор для отображения параметров работы отопительной системы и ГВС, а так же управляющее устройство для хранения параметров настроек программ работы отопительной установки и регулирования работы исполнительных элементов (исполнительных механизмов клапанов регулирующих и электродвигателей насосов). Параметры настроек занесены в память управляющего устройства в виде таблицы соответствия входящих параметров параметрам работы ТП (температуры окружающего воздуха, температуры внутри помещений, времени суток, сезона и т.д. - температуре теплоносителя в ГВС и систем отопления, давлению, объему подаваемого теплоносителя) и коэффициентов регулирования (КР). При изменении тепловой нагрузки на ТП (исключение, добавление, износ теплообменников) имеющиеся КР
не могут поддерживать работу ТП в соответствии с установленными требованиями. Необходимо изменение КР.
Недостаток устройства заключается в том, что для замены КР специалисты должны произвести перерасчет КР. При «ручном» способе точность расчета КР зависит от квалификации специалиста, снимающего и оценивающего показатели работы ТП, и безошибочности выполнения сложных математических операций (человеческий фактор). Затем найденные КР необходимо вновь занести в память управляющего устройства (с пульта управления или посредством магнитной карты). Таким образом, для коррекции работы ТП требуется большое количество времени.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является устройство управления циркуляционными системами теплообмена (патент RU №8090 U1, Терсков Н.Г., опубл. 16.10.1998), содержащее управляющее устройство, пульт управления, блок коммутации. При этом управляющее устройство получает информацию от датчиков измеряемых параметров, вырабатывает и передает управляющие воздействия на исполнительные элементы через блок коммутации, а также получает команды от пульта управления. Подача питающего напряжения на пульт и к исполнительным элементам осуществляется через блок коммутации.
Недостатки устройства заключаются в следующем. Непосредственно в устройстве управления ТП невозможно рассчитывать КР, а необходимость расчета КР вручную и переноса их в память управляющего устройства значительно замедляет перенастройку устройства управления и не исключает ошибок при расчете и записи. При перебоях в сети электроснабжения нет возможности сохранять настройки устройства параметры работы ТП, поэтому возникает необходимость новой настройки описанного устройства для работы с ТП. Устройство управления позволяет также лишь вводить команды с пульта управления, однако нет возможности получить информацию на пульте управления о работе управляющего устройства и ТП в целом.
Целью предлагаемой полезной модели является создание устройства управления тепловым пунктом, позволяющего обеспечить сохранение настроек его работы и ТП в целом при возникновении нештатных ситуаций в сети электроснабжения, производить вычисление и замену старого набора КР в устройстве автоматически, не исключая их просмотра, ввода и изменения «вручную», с пульта управления устройством, а также обеспечить возможность просмотра параметров работы ТП и устройства управления. Это позволит повысить надежность и бесперебойность работы устройства управления, а следовательно, и ТП в целом, получить высокую точность и скорость изменения КР, своевременно отслеживать изменения в работе ТП, и соответственно реагировать на некорректную работу ТП, а также
минимизировать необходимость контроля устройства управления обслуживающим персоналом, ручного ввода КР.
Цель достигается тем, что в устройстве управления тепловым пунктом, включающем управляющее устройство (УУ), пульт управления (ПУ) и блок коммутации, дополнительно введен блок питания, а управляющее устройство снабжено Портом Ввода/Вывода и содержит средства для расчета коэффициентов регулирования. При этом управляющее устройство получает информацию от датчиков измеряемых параметров, вырабатывает и передает управляющее воздействие на исполнительные элементы через блок коммутации, а так же получает команды от пульта управления. Подача питающего напряжения на исполнительные элементы осуществляется через блок коммутации, на управляющее устройство и пульт управления через блок питания. Посредством Порта Ввода/Вывода осуществляется получение управляющим устройством команд от пульта управления (в частности, выбирают и вводят уставки работы устройства управления, выбирают из существующих в памяти УУ или вводят вручную с ПУ температурный график, выбирают КР подтверждением существующих в памяти УУ, либо расчетом и записью новых КР вводом с ПУ вручную, либо расчетом и записью новых КР автоматически в УУ) и передачи информации о работе теплового пункта и управляющего устройства, которые могут быть отображены.
Устройство управления позволяет в необходимый момент времени заново рассчитать КР непосредственно в устройстве и применить их для корректного регулирования ТП с заданной точностью, что позволяет исключить трудоемкий процесс ручной настройки. Одновременно в режимах настройки и автоматической работы не исключается возможность ввода и записи КР с пульта управления устройства. Кроме того, введение блока питания позволяет сохранять параметры работы ТП и УУ при перебоях с питанием для быстрого повторного ввода устройства в рабочее состояние, а возможность отображения этих параметров на пульте управления - контролировать правильность работы устройства и вовремя регулировать работу ТП.
Предпочтительно, чтобы в состав устройства входил блок, обеспечивающий возможность диспетчерского управления и контроля без доработки программного обеспечения управляющего устройства. Это позволит дистанционно, с диспетчерского пункта, просматривать и контролировать параметры работы ТП, изменять их при необходимости, а так же оперативно реагировать в случае нештатных ситуаций.
Предпочтительно так же, чтобы устройство имело дополнительный порт ввода/вывода, на который поступает информация с узла учета (температура, объем, расход теплоносителя, количество теплоты, энергии, израсходованных в сети теплоснабжения и/или ГВС - в зависимости от установленного узла учета), для сохранения и отображения на пульте управления или диспетчерском пункте.
В дальнейшем полезная модель поясняется в предпочтительном варианте его осуществления.
На Фиг.1 приведена функциональная схема устройства управления тепловым пунктом в целом в предпочтительном варианте.
На Фиг.2 приведена схема управляющего устройства в предпочтительном варианте. Устройство управления тепловым пунктом, функциональная схема которого приведена на Фиг.1, содержит Управляющее устройство 1 (УУ), на Вход 1 (B×1) которого через Блок соединителей 2 поступает информация с датчиков измеряемых параметров (например, датчики температуры, подключаемые к управляющему устройству (УУ), служат для измерения температур воздуха внутри и вне здания, температур подаваемого и обратного теплоносителя, датчики давления - в системах отопления и горячего водоснабжения, датчики положения установлены на исполнительных механизмах клапанов регулирующих). Принятые с датчиков данные запоминают и хранят в памяти Управляющего устройства. УУ вырабатывает и передает управляющие воздействия, являющиеся управляющими воздействиями устройства в целом, на исполнительные элементы (ИЭ) через Выход (Вых) и последовательно соединенные Блок коммутации 3, Блок защиты от перегрузки 4 и Блок соединителей 2. Посредством Порта Ввода/Вывода 1 (Вв/Выв1) УУ связано с Пультом управления 5 (ПУ), один выход которого подключен к Блоку коммутации для осуществления режима ручного управления, а другой - к Входу 2 (В×2) УУ для выработки информации, отображающейся на ПУ при ручном управлении. На ПУ могут быть отображены также принятые с датчиков измеряемых параметров данные. В режиме настройки устройства на ТП блокируют регулирование контуров ТП, выбирают и вводят установки работы устройства управления, выбирают из существующих в памяти УУ или вводят вручную с пульта управления (ПУ) температурный график. Выбирают КР подтверждением существующих в памяти УУ, либо расчетом и записью новых КР вводом с ПУ вручную, либо расчетом и записью новых КР автоматически в УУ. Расчет и запись новых КР непосредственно в устройстве управления ведут следующим образом. Подают контрольное управляющее воздействие на исполнительные элементы (электродвигатели насосов и исполнительные механизмы клапанов регулирующих). Подача такого воздействия разрешается, когда ведется расчет КР. Оценивают реакцию ТП на поданное контрольное управляющее воздействие, принимая данные с датчиков с установленной в УУ периодичностью, пока они не стабилизируются в заданных пределах. Полученные данные используют при расчете КР, который проводят по известным методикам, например, по опубликованной в журнале «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», 2005, №2, с.7-11. Рассчитанные КР сохраняют в памяти УУ, переводят устройство управления в режим автоматического регулирования..
Посредством Порта Ввода/Вывода 2 (Вв/Выв2) через Модем 6 (например, по GPRS-каналу) УУ передает информацию о функционировании ТП и принимает команды с диспетчерского пункта (ДП). УУ запрашивает информацию с узла учета через порт Ввода/Вывода 3 (Вв/Выв3) и Блок соединителей. УУ так же предназначено для выполнения функции контроля и управления тепловым пунктом, регистрации текущих параметров работы, истории работы и аварий, управления коммутационными аппаратами цепей питания исполнительных элементов.
ПУ служит для обеспечения пользовательского интерфейса. Блок защиты от КЗ 7 соединен с ПУ, Блоком коммутации и Блоком питания 8 (БП), который соединен с Входом 3 (В×3) УУ. БП преобразует исходное напряжение в напряжение, требующееся для работы УУ, что позволяет УУ работать при значительных скачках напряжения питания. Подача питания осуществляется от источника переменного тока (380 В) через блок соединителей и блок защиты от КЗ, что повышает устойчивость работы устройства.
В устройстве управления тепловым пунктом могут быть предусмотрены дополнительные резервные Входы, Выходы, Порты Ввода/Вывода для присоединения иных вероятных устройств - источников информации и управления.
Функциональная схема Управляющего устройства приведенная на Фиг.2, состоит из Блока управления 9, соединенного с Входами 1, 2, Выходом, Портами Ввода/Вывода 1, 2, 3 через Блок обработки сигналов 10, предназначенный для преобразования поступающей в блок управления информации и передаваемой им информации в определенный, необходимый каждому из подключенных к нему блоков и устройств вид сигнала (аналоговый, цифровой и т.д.), а питание через Вход 3 УУ поступает на Блок управления и Блок обработки сигналов. Блок управления осуществляет свои функции посредством программного обеспечения с модульной системой. Модули взаимодействуют между собой, выделяя необходимую им для обработки команд или поступающих данных информацию из других модулей в произвольном порядке и объеме. Блок-схема Блока управления состоит из следующих модулей: Модуль оценки параметров 11, Модуль управления 12, Модуль настройки 13, Модуль ручного управления 14, Модуль автоматического регулирования 15, модуль памяти 16.
Модуль оценки параметров предназначен для обработки информации, поступающей при периодических опросах датчиков измерения параметров ТП. При изменении параметров работы (когда поступающая информация отличается от поступившей при предыдущем опросе), Модуль оценки параметров вырабатывает команды Модулю управления по формированию отображения поступившей информации на ПУ и выработке необходимого
управляющего воздействия. Управляющее воздействие зависит от параметров работы ТП и информации по условиям выработки (содержится в Модуле автоматического регулирования) управляющего воздействия и рассчитывается известными методами в Модуле управления, (например, Методика расчета оптимальных по степени устойчивости ПИ-законов управления. I., Шубладзе А.М., «АиТ.», 1987, №4., с.16-25).
Модуль настройки содержит информацию по условиям настройки устройства на ТП (условия разрешения на изменение параметров и уставок работы, условия по расчету КР, формулы, постоянные и т.д.).
Модуль ручного управления содержит информацию по условиям ручного управления устройства при ручном управлении (запрет регулирования и вмешательства в управление работой ТП - только наблюдение за текущими параметрами работы ТП и отображение их на ПУ).
Модуль памяти хранит всю поступающую информацию и при необходимости (подача соответствующей команды от Модуля управления) может предоставить ее в произвольном порядке выборки. Изначально в Модуль памяти занесены настройки и уставки для наиболее часто встречающихся конфигураций ТП (например, периоды энергосберегающих режимов работы ТП (выходные, праздничные дни), перечень и типы подключаемых устройств и датчиков), набор температурных графиков (несколько наиболее часто используемых температурных графиков), а так же КР, рассчитанных для данных настроек. Температурный 1 график представляет собой таблицу соответствия значений температур наружного воздуха значениям температур обратного теплоносителя, прошедшего цикл в сети отопления и/или ГВС.
Устройство управления тепловым пунктом может регулировать работу различных ТП, предназначенных для работы в жилых или производственных зданиях и обеспечивающих как совместную работу систем ГВС и отопления, так и работу только одной из систем. Устройство работает в одном из трех режимов: режиме настройки устройства на ТП, режиме автоматического регулирования, режиме ручного управления.
Режим настройки устройства на ТП применяется при включении устройства автоматического управления в работу ТП при первом запуске, после ремонта, либо после изменения конфигурации ТП.
Питающее напряжение (например, переменное напряжение 380 В) через блок соединителей и блок защиты от КЗ подается на все блоки устройства, требующие питания. Блок защиты от КЗ обеспечивает защиту устройства управления ТП, а так же каждого из ИЭ от короткого замыкания по цепи питания. Блок питания преобразует подаваемое напряжение в напряжение, требующееся для работы УУ (например, переменное напряжение - в постоянное от 2,5 до 24 В). После подачи напряжения питания Модуль управления
анализирует команды с ПУ, других возможно подключенных устройств, и, при отсутствии команды выбора режима работы устройства с ПУ, переводит его в режим ожидания. При этом можно просмотреть заложенные в Модуль памяти устройства настройки, позволяющие управлять большинством ТП, и определить необходимость их изменения для конкретного ТП (индивидуальные настройки ТП).
Для настройки устройства на работу конкретного ТП необходимо выполнение последовательности команд, подаваемых через Блок обработки сигналов УУ на Блок управления управляющего устройства. Последовательность команд настройки устройства следующая:
- перевод устройства в автоматический режим - подают с ПУ через Вход 2 Блока обработки сигналов УУ на Модуль управления Блока управления. При этом устройство начинает работу в автоматическом режиме по заданному в Модуле памяти температурному графику в зависимости от поступающих значений измеряемых параметров. Описанным выше способом УУ вырабатывает и подает управляющее воздействие на Блок коммутации, который коммутирует цепи питания (тем самым усиливая управляющее воздействие) на те подключенные к устройству ИЭ, для которых было выработано управляющее воздействие (в данном случае включаются подключенные электродвигатели насосов и исполнительные механизмы клапанов регулирующих). Напряжение питания, поступает от блока защиты от КЗ на ИЭ через Блок коммутации и Блок защиты от перегрузки. Блок защиты от перегрузки предназначен для защиты ИЭ от токов перегрузки по цепи питания. Таким образом, при включении устройства в автоматический режим изменяются параметры работы ТП;
- запрещение регулирования контуров ГВС, отопления, подпитки - подают с ПУ (ДП) через Порт Ввода/Вывода 1 (через Порт Ввода/Вывода 2) УУ, Блок обработки сигналов на Модуль управления Блока управления. При этом отключаются исполнительные механизмы клапанов регулирующих (регулируют подачу теплоносителя), а электродвигатели насосов продолжают работу, поддерживая заданное давление в системах ГВС и отопления, если они подключены;
- настройка параметров и уставок работы УУ в зависимости от конфигурации ТП - подают с ПУ (ДП) через Порт Ввода/Вывода 1 (через Порт Ввода/Вывода 2) Блока обработки сигналов УУ на Модуль управления, который, используя информацию, поступающую с Модуля настройки, изменяет параметры и уставки работы. Измененные параметры и уставки сохраняются в памяти УУ (Модуль памяти). При настройке, в частности, может быть обозначено подключение узла учета, а так же способ считывания результатов работы с него. Считывание может производиться по запросу с ПУ (ДП) либо автоматически с задаваемой периодичностью;
- выбор одного температурного графика либо из нескольких, занесенных в память УУ, либо ввод иного температурного графика посредством ПУ или с ДП с последующей командой записи его в память УУ посредством пользовательского интерфейса;
- ввод kп, kи, kд (коэффициент пропорциональности, интегральный коэффициент, дифференциальный коэффициент) в память УУ, называемых коэффициентами регулирования (КР) - с ПУ либо ДП после расчета вручную, либо подтверждение уже имеющихся КР в памяти УУ, либо их расчет непосредственно в устройстве (автоматический способ). Расчет КР в устройстве ведется в Модуле управления с использованием информации Модуля настройки (формулы, по которым рассчитываются КР) после подачи соответствующей команды с ПУ или ДП через Порт Ввода/Вывода Блока обработки сигналов УУ. Далее Модуль управления вырабатывает контрольное управляющее воздействие как описано выше, используя информацию с Модулей настройки и памяти. Сигнал управляющего воздействия в Блоке обработки сигналов УУ преобразуется в цифровой сигнал и составляет от 0 до 100% процентов величины возможного диапазона воздействий. Контрольное управляющее воздействие вырабатывается и подается на Блок коммутации, который коммутирует цепи питания на те ИЭ, на которые было выработано управляющее воздействие (в данном случае - на исполнительные механизмы клапанов регулирующих). При этом изменяются параметры работы ТП, например, количество подаваемого в тепловую сеть теплоносителя, вследствие чего изменяется температура обратного теплоносителя. Реакция ТП (аналоговые сигналы постоянного тока, поступающие с датчиков температур, давления или положения исполнительных механизмов) принимается Модулем оценки параметров с установленной в Блоке настройки периодичностью до тех пор, пока параметры ТП не стабилизируются в заданных пределах (скорость изменения параметров работы ТП не будет стремиться к нулю). Поступающие сигналы записываются в Модуль памяти УУ. Модуль управления УУ вычисляет КР, как описано выше Вычисленные КР являются оптимальными для устойчивой работы ТП;
- применение КР - подают с ПУ (ДП) через Порт Ввода/Вывода 1 (через Порт Ввода/Вывода 2) Блока обработки сигналов УУ на Модуль управления. При этом вычисленные КР сохраняются в Модуле памяти и используются для автоматического регулирования;
- разрешение регулирования контуров ТП - команду подают с ПУ (ДП) через Порт Ввода/Вывода 1 (через Порт Ввода/Вывода 2) Блока обработки сигналов УУ на Модуль управления Блока управления. При этом УУ начинает регулирование контуров ТП, вырабатывая и подавая управляющие воздействия с учетом новых настроек (конфигурация ТП, температурный график, КР).
После выполнения режима настройки устройства на ТП (подачей команды по разрешению регулирования контуров ТП) устройство начинает управлять работой ТП в режиме автоматического регулирования.
В режиме автоматического регулирования устройство управляет работой ТП по заданному температурному графику в зависимости от поступающих на Вход 1 УУ через Модуль оценки параметров к Модулю управления результатов изменения значений измеряемых параметров. Модуль управления вырабатывает и подает управляющее воздействие на Блок коммутации и далее - к ИЭ, как было описано выше. При этом изменяются параметры работы ТП. Модуль оценки параметров с заданной периодичностью производит опрос датчиков измеряемых параметров получая с Входа 1 УУ информацию о результатах управляющего воздействия. Модуль оценки параметров вырабатывает команды в Модуль управления по формированию отображения поступившей информации через Блок обработки сигналов на ПУ и/или ДП и выработке нового управляющего воздействия, если оно требуется (не соблюдается с необходимой точностью температурный график). Модуль управления заносит в Модуль памяти поступающие данные (сохранение истории работы и аварий устройства) с заданной периодичностью.
Таким образом, Модуль оценки параметров производит контроль температуры обратного теплоносителя. Если она поддерживается в соответствии с температурным графиком с заданной точностью и лежит в определенной полосе Δt, то говорят, что устройство автоматического управления и ТП в целом работает в линейном режиме.
В случае, когда значение регулируемой температуры обратного теплоносителя выходит за границы заданного диапазона значений (при возникновении нештатных ситуаций, изменении тепловой нагрузки на ТП), устройство автоматического управления переходит в нелинейный режим работы.
Так как поступающая информация обновляется и записывается с установленной периодичностью, то после аварии (отключение питания) УУ будет управлять работой ТП с использованием последних сохраненных в память устройства данных.
При обслуживании ТП оценивают качество работы устройства по показаниям ПУ или ДП. Для устранения выбросов температуры обратного теплоносителя за пределы заданного диапазона и возвращение устройства в линейный режим работы с ПУ или ДП подают команду расчета КР. Вычисление новых КР производится аналогично методу, описанному выше. Запись новых КР в память УУ вместо ранее использовавшихся производится командой применения КР. Вычисленные КР являются оптимальными для новой конфигурации ТП. Таким образом, для достижения линейного режима работы устройства в новых условиях (новая конфигурация ТП, либо естественное изменение параметров работы
ТП) необходимо подать четыре команды с ПУ, при этом не требуется дополнительного времени для перерасчета КР вручную и внесения их в память устройства.
Кроме того, через Блок соединителей и Порт Ввода/Вывода 3 в Блок управления в соответствии с выбранными настройками устройства поступает информация с узла учета. Модуль управления сохраняет ее в Модуле памяти. При необходимости эти данные командами с ПУ или ДП могут быть запрошены и отображены.
Ручной режим работы. Устройство переводится в режим ручного управления командой перевода на ручное управление с ПУ, в случае нештатных ситуаций или технического обслуживания. Режим ручного управления заключается в регулировании положения исполнительных механизмов клапанов регулирующих и/или включении/отключении электродвигателей насосов. При этом команды с ПУ поступают непосредственно на ИЭ через Блок коммутации и Блок защиты от перегрузки. Результаты контроля отображаются на ПУ и/или по запросу на ДП. УУ осуществляет контроль реакции ТП на управляющие воздействия, посредством информации, поступающей через Вход 1 УУ. УУ контролирует так же работу всех возможных подключенных к нему устройств (через Порт Ввода/Вывода 3 и др.) в соответствии с введенными настройками и уставками работы. Таким образом, УУ выполняет все функции, за исключением функции регулирования.
Предлагаемое устройство позволяет эффективно использовать тепловую энергию, автоматизировать контроль и регулирование работы систем отопления и ГВС, снизить затраты на обслуживание устройства управления.