9060

50

ражения человека током обеспечивается благодаря малому сопротивлению за-

землителя Rз.

При контурном заземлении заземлители располагаются по контуру во-

круг заземленного оборудования.

Обычно контурное заземление содержит внутренний и внешний контуры.

Внутренний контур размещается по стенам помещения, где расположено за-

земляемое оборудование. Выполняется стальной полосой сечением не менее 48

мм2, обычно 40х4 мм. Внешний контур состоит из вертикальных стержневых заземлителей (электродов) и горизонтальных заземлителей. Вертикальные за-

землители соединяются между собой горизонтальными заземлителями сваркой.

Для сварки у вертикальных заземлителей остается над уровнем дна траншеи

100-200 мм. Горизонтальные заземлители представляют собой прутки прямо-

угольного или круглого сечения. Траншеи для горизонтальных заземлителей должны заполняться однородным грунтом без примеси щебня и строительного мусора. Заземлители должны быть защищены от коррозии.

Внутренний и внешний заземляющие контура соединяются между собой не менее, чем в двух точках.

Заземляющие проводники служат для соединения заземляемых частей электроустановки с заземлителем.

Заземляющие устройства могут быть простыми и сложными. Простое за-

земляющее устройство выполняется в виде замкнутого контура или полосы с вертикальными заземлителями. Сложное заземляющее устройство выполняется в виде замкнутого контура с вертикальными заземлителями и сеткой продоль-

ных и поперечных горизонтальных заземлителей.

Сопротивления заземляющих устройств и напряжения прикосновения должны обеспечивать безопасность в электроустановках при наиболее неблаго-

приятных условиях. В электроустановках напряжением выше 1 кВ с эффектив-

но заземленной нейтралью заземляющее устройство должно иметь сопротивле-

ние не более 0,5 Ом. В электроустановках выше 1 кВ с изолированной нейтра-

лью сопротивление заземляющего контура определяется выражением

51

250

Rз I , (22)

где I – расчетный ток замыкания на землю, А.

Сопротивление заземления должно быть не более 10 Ом.

Если заземляющее устройство одновременно используется и для электро-

установок напряжением до 1 кВ, сопротивление заземления должно быть

Rз 125I , При этом должны выполняться требования, предъявляемые к заземлению в электроустановках до 1 кВ.

Сопротивление заземления в электроустановках до 1 кВ с глухозаземлен-

ной нейтралью (380/220 В) должно быть не более 4 Ом.

52

7. АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ, ВЕНТИЛЯЦИИ И

КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

7.1 Основные понятия и определения

Комфортное и технологическое кондиционирование воздуха базируется на теории тепло- и массообмена и характеризуется большой сложностью про-

исходящих процессов. Это объясняется многообразием параметров, большим числом внутренних связей и переменных состояния, их взаимным влиянием.

Так, при изменении одной переменной процесса на входе в большинстве случа-

ев возникает нелинейное изменение нескольких переменных на выходе.

В технике кондиционирования воздуха установление этих связей дости-

гается совместным решением тепловых, гидравлических и аэродинамических зависимостей. Основные переменные процессов кондиционирования изменя-

ются как во времени, так и в пространстве. Понимание этих процессов возмож-

но только при их количественной оценке на основе математических зависимо-

стей. Как правило, требуется решить большое число дифференциальных урав-

нений, связывающих входные и выходные параметры системы. Однако даже при решении этой сложной аналитической задачи возникает немало трудностей по практической реализации систем кондиционирования воздуха. Особенно сложной является аппаратурная реализация устройств управления. Именно эти вопросы рассмотрены в настоящем курсе.

В теории систем управления используется большое количество специаль-

ных понятий и терминов. Ниже изложены определения основных терминов, ко-

торыми мы будем оперировать в дальнейшем. При введении дополнительных терминов по тексту будут даваться соответствующие пояснения. Для детально-

го изучения читатель может обращаться к политехническим словарям или сло-

варям по системам автоматического управления.

Главными понятиями теории систем управления являются система и управление.

53

Система – совокупность связанных между собой элементов, объектов или процессов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой по определенным законам.

Управление – совокупность действий, которые обеспечивают под-

держание или изменение протекающих технологических процессов в соответ-

ствии с заданной программой.

Система управления – совокупность объекта управления (управляемого технологического процесса) и управляющих устройств, взаимодействие кото-

рых обеспечивает протекание процесса в соответствии с заданной программой.

Технологический процесс – последовательность операций, которые необ-

ходимо выполнить, чтобы из исходного сырья получить готовый продукт.

В данном пособие рассмотрены методы автоматизации систем кон-

диционирования и вентиляции (СКВ).

СКВ есть совокупность технических средств для создания и авто-

матического поддержания в закрытых помещениях температуры, влажности,

чистоты, состава, скорости движения воздуха, которые являются благоприят-

ными для самочувствия людей (комфортное кондиционирование) или ведения технологических процессов, работы оборудования и приборов (технологиче-

ское кондиционирование).

СКВ – типичный пример непрерывного технологического процесса. При этом сырьем является воздух и жидкостные теплоносители, а готовым продук-

том – воздух с заданными параметрами.

Объект управления – техническая установка или технологическая цепоч-

ка установок, с помощью которой осуществляется технологический процесс.

Технологические параметры – физико-химические величины, которые характеризуют состояние объекта управления (например, температура, давле-

ние, частота вращения и др.).

Обычно из технологических параметров выбирают основные, наиболее полно характеризующие состояние процесса, величиной которых можно управ-

лять с помощью специальных технических средств. Такие параметры называ-

54

ются регулируемыми. Их число, как правило, значительно меньше общего чис-

ла технологических параметров.

Кроме технологических параметров, объекты управления характе-

ризуются возмущающими и управляющими воздействиями.

Воздействия – факторы, изменяющие состояние технологического про-

цесса в объекте управления.

Возмущающие воздействия (нагрузки) – факторы, изменение которых но-

сит случайный, трудно прогнозируемый характер. К таким факторам относятся,

например, температура наружного воздуха, колебания напряжения в электросе-

ти и др.

Управляющие воздействия – воздействия на объект управления, осу-

ществляемые специальными техническими средствами или оператором с целью компенсации влияния возмущающих воздействий или изменения режимов ра-

боты объекта управления.

Обобщенная схема объекта управления показана на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная схема объекта управления: f (t) – возмущающие воздействия; x (t) – управляющие воздействия; y (t) – регулируемая величина.

Обычно в системах управления любой сложности объект изображают в виде простого прямоугольника («черного ящика») с указанием входных и вы-

ходных сигналов. Под сигналами в системах автоматического управления по-

нимают возмущающие и управляющие воздействия, технологические регули-

руемые параметры. По направлению различают входные и выходные сигналы.

55

Входными сигналами являются управляющие и возмущающие воздействия, а

выходными – технологические и регулируемые параметры.

Система управления, в которой поддержание заданного технологического процесса выполняется без участия человека-оператора, называется системой автоматического управления (САУ).

САУ – совокупность функциональных групп, обеспечивающих автомати-

ческое изменение одного или нескольких параметров технологического объекта управления с целью достижения их заданных значений или оптимизации опре-

деленного критерия качества управления.

Современные системы управления обычно создаются с несколькими сту-

пенями (уровнями) управления. Если рассматривать системы управления кон-

диционированием и вентиляцией таких объектов, как большие общественные здания и производственные помещения, то на первом (локальном) уровне рас-

полагаются автономные системы управления параметрами воздуха отдельных помещений или отдельными установками и устройствами. На верхнем уровне осуществляется управление параллельной работой систем локальных уровней с учетом показателей их тепловых нагрузок, контроля над работой всех систем,

централизованного учета отказов в работе и др. На этом уровне для обработки большого объема информации используется вычислительная техника (контрол-

леры, компьютеры). Такие системы выдают информацию в форме, удобной для принятия решений (режим советчика) или непосредственно корректируют за-

дания системам локального уровня (супервизорный режим).

Системы управления технологическими процессами, в которых управля-

ющими устройствами являются автоматические устройства, вычислительные машины и человек, называются автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Разработка и внедрение АСУ ТП – специфичная и трудоемкая задача,

рассмотрение которой не входит в настоящий курс.

56

7.2 Классификация систем автоматического управления

Для любых видов объектов, вне зависимости от класса и сложности, дей-

ствует единый основной принцип управления – принцип обратной связи. Сущ-

ность принципа заключается в выработке управляющих воздействий на объект на основании данных о состоянии процесса в конкретный момент времени и их сравнении с заданными параметрами.

Функциональные блоки я типовой схемы промышленной САУ реализуют следующие основные функции:

– дистанционное управление, необходимое для пуска и остановки авто-

матических систем или ручного управления в случае возникновения отказов;

– контроль технологического процесса (система автоматического измере-

ния);

–автоматическая защита и блокировка при аварийных ситуациях;

–программное управление пуском и остановкой всей системы или от-

дельных подсистем;

– автоматическое регулирование основных технологических параметров

ихарактеристик (температура, давление, уровень, состав газов и т. д.).

Последняя функция САУ является основной и практически реализуется

во всех САУ. Остальные функции могут быть реализованы в той или иной сте-

пени в зависимости от сложности объекта и особенностей технологического процесса и оборудования.

Указанные подсистемы САУ можно разделить на замкнутые и разомкну-

тые (рис. 4).

Замкнутые САУ – совокупность управляющих устройств и объекта управления (канала управления), образующих технически замкнутую цепь. К

замкнутым автоматическим системам относятся автоматические системы регу-

лирования параметрами процессов.

57

Рис. 4. Классификация систем автоматического регулирования.

Система автоматического регулирования (САР) – разновидность САУ, в

которой управляющее воздействие на объект вырабатывается автоматически в результате сравнения действительного значения управляемой величины с за-

данным значением в замкнутой системе: объект – автоматическое регулирую-

щее устройство – объект.

САР определяется как система автоматического управления, в которой заданные показатели в статических и динамических режимах достигаются по-

средством оптимизации замкнутых контуров регулирования.

К разомкнутым системам относятся: автоматическое измерение техноло-

гических параметров, дистанционное и программное управление режимами ра-

боты, а также система автоматической блокировки и защиты оборудования в аварийных ситуациях. Это не означает, что в данных системах не соблюдается принцип обратной связи. Он реализуется в скрытом виде по предварительно за-

данной исходной информации или непосредственно оператором.

Главным достоинством САР по отклонению является то, что такая систе-

ма компенсирует влияние любого возмущающего воздействия, которое вызвало изменение величины выходного сигнала системы, путем изменения через цепь отрицательной обратной связи величины входного сигнала.

Недостаток САР по отклонению в том, что для срабатывания регулятора необходимо появление отклонения выходного сигнала (т. е. нарушение техно-

58

логического процесса). Только после этого регулятор скомпенсирует возмуща-

ющее воздействие и сведет к нулю отклонение величины регулируемого пара-

метра от заданного.

В САР, работающей по принципу возмущения, регулятор компенсирует изменение возмущающего воздействия до того, как нарушится технологиче-

ский режим, т. е. изменится регулируемый параметр. Это является достоин-

ством таких САР. Однако при наличии других возмущающих воздействий, они остаются нескомпенсированными. Поэтому в промышленности САР по возму-

щению используются редко.

В комбинированной САР недостатки первых двух систем отсутствуют.

Если задающее воздействие g(t) – величина постоянная, то такие САР

называют стабилизирующими; если g(t) – заранее известная функция, то это си-

стема программного регулирования; если g(t) заранее неизвестная функция времени, то такие системы называются следящими.

Теоретически любую САР можно рассматривать как систему преобразо-

вания сигнала x(t) (задающего или возмущающего) или нескольких сигналов

xi(t) в сигнал y(t). Уравнение преобразования x(t) в y(t) можно записать в виде:

где W – оператор (правило) преобразования, означающий ту математическую операцию, которую необходимо произвести над x(t), чтобы получить y(t).

Оператор W определяется двумя составляющими: составляющей, харак-

теризующей свойства объекта управления Wоб, и составляющей, характеризу-

ющей свойства устройства регулирования Wр.

В зависимости от видов составляющих оператора W различают САР сле-

дующих типов:

–статические и динамические;

–непрерывные и дискретные;

–стационарные и нестационарные;

–линейные и нелинейные.

59

В статических системах выходной сигнал y(t) в произвольный фиксиро-

ванный момент времени t определяется лишь значением входного сигнала x(t) в

тот же момент времени и не зависит от того, какие значения принимал входной сигнал в предыдущие моменты времени.

В динамических (инерционных) системах выходной сигнал y(t) в произ-

вольный фиксированный момент времени t зависит не только от значения входного сигнала x(t) в тот же момент времени, но и от того, какие значения принимал входной сигнал в предыдущие моменты времени.

В непрерывных системах оператор Wр осуществляет непрерывное преоб-

разование, а в дискретных – в дискретные моменты времени, взятые через ин-

тервал квантования T.

Если закон преобразования выходного сигнала y(t) остается постоянным для любого момента времени, то система называется стационарной, если зави-

сит от времени – нестационарной.

Если оператор W выполняет умножение на постоянный множитель или суммирование, система является линейной. Для линейной системы справедлив принцип суперпозиции: реакция системы на сумму воздействий равна сумме реакций на каждое из этих воздействий, взятых по отдельности. Системы, для которых принцип суперпозиции не выполняется, называются нелинейными.

Аппаратурным средством для выполнения преобразования W является автоматический регулятор. Именно он обеспечивает поддержание заданной ве-

личины или изменение ее значения по заданному закону.

По виду регулируемого параметра автоматические регуляторы в СКВ подразделяются на регуляторы температуры, давления, влажности, разряжения,

расхода, состава и т. п.

По характеру изменения регулирующего воздействия автоматические ре-

гуляторы подразделяются на регуляторы с линейными и нелинейными закона-

ми регулирования.

Примером регуляторов с нелинейным законом регулирования могут слу-

жить двухпозиционные регуляторы температуры в холодильных машинах. В