Структура и содержание дипломной работы по теме ‘Автоматизированная система управления установкой кондиционирования воздуха’

Введение: Обоснование актуальности и постановка задач проекта

Современные здания — это сложные экосистемы, где создание комфортного и здорового микроклимата является одной из первостепенных задач. Ключевую роль в этом играют системы кондиционирования воздуха (СКВ), которые отвечают за поддержание заданной температуры, влажности и чистоты воздушной среды. Однако в условиях постоянного роста цен на энергоносители простое функционирование этих систем становится недостаточным. На первый план выходит энергоэффективность, и именно автоматизация является главным инструментом для ее достижения.

Таким образом, разработка автоматизированной системы управления установкой кондиционирования воздуха (АСУК) — это не просто учебная, а в высшей степени актуальная инженерная задача. Она позволяет не только обеспечить стабильный комфорт для людей, но и значительно сократить эксплуатационные расходы.

Целью данной дипломной работы является проектирование современной АСУК для типовой приточной установки. Для достижения этой цели необходимо решить следующие конкретные задачи:

• Проанализировать устройство и принципы работы объекта управления — центрального кондиционера.
• Разработать математическую модель, описывающую тепло- и массообменные процессы в установке.
• Спроектировать контуры автоматического регулирования температуры и влажности.
• Выбрать и обосновать комплекс технических средств автоматизации: датчики, контроллер, исполнительные механизмы.
• Выполнить инженерные расчеты ключевых элементов системы.
• Разработать функциональную и принципиальную электрическую схемы.
• Подготовить технико-экономическое обоснование проекта.
• Разработать мероприятия по обеспечению безопасности эксплуатации системы.

Глава 1. Как устроен и работает наш объект управления

Прежде чем автоматизировать какой-либо процесс, необходимо досконально изучить сам объект управления. В нашем случае это центральная приточная установка кондиционирования воздуха. Важно понимать ее принципиальное отличие от систем вентиляции и отопления. Если вентиляция лишь подает и удаляет воздух, а отопление его нагревает, то система кондиционирования (СКВ) — это комплексное решение. Ее ключевое преимущество — способность охлаждать воздух в летний период с помощью холодильной машины, а также увлажнять или осушать его.

Типовая установка представляет собой модульную конструкцию, состоящую из нескольких последовательных секций:

1. Воздушный клапан с электроприводом: Регулирует подачу наружного воздуха и защищает систему от заморозки.
2. Секция фильтрации: Очищает поступающий воздух от пыли и других загрязнений.
3. Секция нагрева (калорифер): Подогревает воздух в холодный период года.
4. Секция охлаждения (испаритель): Охлаждает и осушает воздух в теплый период.
5. Секция увлажнения: Обеспечивает поддержание необходимой влажности в зимний период.
6. Вентилятор: Создает необходимое давление для транспортировки воздуха по сети воздуховодов.

Система работает в трех основных режимах: зимнем (нагрев и увлажнение), летнем (охлаждение и осушение) и переходном, когда в зависимости от уличной температуры может потребоваться как небольшой подогрев, так и охлаждение.

Глава 2. Переводим физику процесса в математическую модель

Чтобы эффективно управлять физическим объектом, необходимо описать его поведение на языке математики. Создание математической модели — это ядро любой серьезной инженерной работы в области автоматизации. Модель позволяет анализировать поведение системы, настраивать регуляторы и прогнозировать реакцию на различные возмущения, не проводя дорогостоящих и долгих экспериментов на реальном оборудовании.

Объектом нашего моделирования являются процессы тепло- и массообмена, протекающие в секциях нагрева, охлаждения и увлажнения кондиционера. Эти процессы являются динамическими, то есть их параметры изменяются во времени. Для их описания наиболее адекватно подходит аппарат дифференциальных уравнений. Модель должна связывать выходные параметры, которые мы хотим контролировать (температура и влажность воздуха на выходе из установки), с входными управляющими воздействиями и возмущениями.

В упрощенном виде, модель представляет собой систему уравнений, которая показывает, как изменится температура воздуха в помещении, если мы, например, на 30% откроем клапан подачи горячей воды в калорифер, при условии, что температура на улице изменилась на 5 градусов.

Ключевыми параметрами, которые должна учитывать такая модель, являются: температура и влажность наружного воздуха, производительность вентилятора, тепловая мощность калорифера и холодопроизводительность охладителя. Адекватная математическая модель — это фундамент для последующего синтеза эффективной системы автоматического регулирования.

Глава 3. Проектируем контуры автоматического регулирования

Имея модель объекта, мы можем приступить к проектированию логической структуры системы управления. Глобальную задачу поддержания микроклимата целесообразно разбить на два основных, взаимосвязанных, но отдельных контура:

• Автоматический контур регулирования температуры воздуха.
• Автоматический контур регулирования влажности воздуха.

Оба контура строятся по классическому принципу обратной связи. Рассмотрим на примере регулирования температуры:

1. Датчик температуры, установленный в контрольной точке (например, в вытяжном воздуховоде), непрерывно измеряет текущее значение параметра.
2. Контроллер получает этот сигнал, сравнивает его с заданным значением (уставкой) и вычисляет ошибку регулирования (разницу между желаемым и фактическим значением).
3. На основе этой ошибки специальный алгоритм в контроллере — ПИД-регулятор — вычисляет необходимое управляющее воздействие.
4. Контроллер подает команду на исполнительное устройство (например, на привод клапана, регулирующего подачу горячей воды в калорифер), которое изменяет подачу тепла в систему.

В результате температура воздуха начинает изменяться в нужную сторону, датчик фиксирует это изменение, и цикл замыкается. Аналогично работает и контур регулирования влажности, который управляет форсунками увлажнителя. Использование ПИД-регуляторов (пропорционально-интегрально-дифференциальных) позволяет сделать процесс регулирования точным, быстрым и устойчивым, минимизируя как статическую, так и динамическую ошибку.

Глава 4. Подбираем мозг и чувства для нашей системы

После разработки логики управления наступает этап подбора реального оборудования — «железа», которое будет эту логику воплощать в жизнь. Этот процесс можно сравнить с созданием живого организма, у которого должны быть свои «чувства», «мозг» и «мышцы».

1. «Чувства» — датчики (измерительные преобразователи):

Это глаза и уши нашей системы. Ключевые контролируемые переменные — это температура и относительная влажность. Поэтому нам понадобятся:

• Датчики температуры: Канальные датчики для измерения температуры наружного, приточного и вытяжного воздуха. При их выборе важны точность, диапазон измерений и тип выходного сигнала (например, унифицированный 4-20 мА или 0-10 В).
• Датчики влажности: Канальный датчик для контроля влажности в помещении. Это более сложные и дорогие устройства, к их выбору нужно подходить особенно тщательно.

2. «Мышцы» — исполнительные механизмы:

Они непосредственно воздействуют на технологический процесс. В нашей системе это:

• Электроприводы для воздушных заслонок: Управляют положением заслонок наружного воздуха и рециркуляции.
• Регулирующие клапаны с электроприводами: Устанавливаются на трубопроводах подачи теплоносителя (в калорифер) и хладагента (в охладитель) для точного дозирования их расхода.

3. «Мозг» — программируемый логический контроллер (ПЛК):

Это центральный элемент всей системы. Он собирает данные с датчиков, выполняет заложенные в него алгоритмы (в том числе ПИД-регулирование) и отдает команды исполнительным механизмам. Выбор ПЛК — ответственный шаг. Его необходимо обосновать, исходя из следующих критериев: достаточное количество и тип входов/выходов для подключения всех датчиков и приводов, а также производительность процессора, которой должно хватать для быстрой обработки всех управляющих алгоритмов.

Глава 5. Выполняем ключевые инженерные расчеты

Теоретический выбор оборудования должен быть подкреплен практическими инженерными расчетами. Недостаточно просто выбрать клапан — нужно доказать, что его пропускной способности хватит для обеспечения необходимой тепловой мощности калорифера в самые лютые морозы. Недостаточно выбрать электропривод — нужно рассчитать, что его усилия хватит, чтобы этот клапан повернуть.

Центральным расчетом в данном разделе является расчет и подбор регулирующего органа. Возьмем для примера двухходовой клапан на линии подачи теплоносителя в калорифер. Расчет выполняется в несколько этапов:

1. Определение максимальной тепловой мощности, которую должен обеспечивать калорифер.
2. Расчет необходимого расхода теплоносителя через калорифер для обеспечения этой мощности.
3. Расчет требуемой пропускной способности клапана (Kvs) по специальным формулам, учитывающим перепад давления на нем.
4. Выбор по каталогу производителя ближайшего стандартного типоразмера клапана с подходящим Kvs.

После того как клапан выбран, выполняется расчет и подбор исполнительного механизма для него. На основе данных из каталога на клапан (необходимое усилие закрытия, ход штока) подбирается электропривод, способный развить достаточное усилие и обеспечить необходимое время полного хода для качественного регулирования.

Глава 6. Визуализируем проект через функциональные и принципиальные схемы

Любой инженерный проект должен быть представлен в виде стандартизированной графической документации. Схемы — это универсальный язык инженеров, который однозначно описывает состав и структуру проектируемой системы. В рамках дипломной работы по автоматизации необходимо разработать два ключевых типа схем.

Функциональная схема автоматизации (ФСА)

Это основной документ, описывающий систему верхнеуровнево. На этой схеме условно изображается технологический объект (наша установка кондиционирования со всеми секциями) и все элементы системы автоматизации. На ней показывают:

• Все датчики с указанием измеряемых параметров.
• Программируемый логический контроллер (ПЛК) как центральный управляющий элемент.
• Все исполнительные механизмы (приводы клапанов и заслонок).
• Линии связи, показывающие, как сигналы от датчиков поступают на входы контроллера, а управляющие сигналы с его выходов идут к исполнительным механизмам.

Принципиальная электрическая схема (Э3)

Это подробный документ, на основе которого будет производиться сборка шкафа управления. На ней детально изображаются все электрические соединения внутри шкафа:

• Подключение самого ПЛК.
• Источники питания для контроллера и периферийных устройств.
• Аппараты защиты: автоматические выключатели, предохранители.
• Клеммные колодки для подключения внешних кабелей от датчиков и исполнительных механизмов.
• Элементы коммутации, такие как реле или пускатели (если они необходимы).

Разработка этих схем демонстрирует владение нормами проектирования и умение переводить идею в конкретную техническую реализацию.

Глава 7. Обосновываем экономическую целесообразность проекта

Технически совершенный проект может оказаться бесполезным, если он экономически невыгоден. Поэтому раздел технико-экономического обоснования (ТЭО) является неотъемлемой частью дипломной работы, доказывающей ее практическую ценность. Расчет должен показать, что вложения в автоматизацию окупятся за приемлемый срок за счет будущей экономии.

Расчет состоит из двух основных частей:

1. Расчет капитальных вложений (единовременных затрат):

Здесь суммируется стоимость всего, что необходимо для создания системы. В смету включаются:

• Стоимость основного оборудования: контроллер, датчики, электроприводы.
• Стоимость шкафа управления и его комплектующих (автоматы, реле, клеммы).
• Стоимость кабельной продукции и монтажных материалов.
• Стоимость проектных и монтажных работ.

2. Расчет годовых эксплуатационных расходов и ожидаемой экономии:

В этой части сравниваются два варианта: работа системы без автоматизации (или с примитивной автоматикой) и работа спроектированной АСУК. Основная экономия достигается за счет более точного поддержания параметров, что ведет к снижению потребления электроэнергии (вентилятором и холодильной машиной) и тепловой энергии (калорифером). Разница в годовых расходах между старой и новой системами и составляет годовой экономический эффект.

Имея на руках общую сумму капитальных вложений и размер годовой экономии, можно рассчитать ключевой показатель эффективности — срок окупаемости проекта. Он показывает, за сколько лет система «вернет» вложенные в нее деньги.

Глава 8. Гарантируем безопасность эксплуатации системы

Профессиональный инженер несет ответственность не только за работоспособность и эффективность своего проекта, но и за его безопасность для людей и окружающей среды. Этот раздел демонстрирует понимание нормативных требований в области охраны труда и пожарной безопасности.

Анализ безопасности должен охватывать несколько ключевых аспектов:

Электробезопасность. Основным опасным фактором при эксплуатации является электрический ток. Меры по защите должны включать:

• Надежное заземление всех металлических корпусов оборудования (шкафа управления, электроприводов).
• Использование автоматических выключателей для защиты от токов короткого замыкания и перегрузок.
• Правильный выбор сечения кабелей, исключающий их перегрев.

Пожарная безопасность. Системы вентиляции и кондиционирования могут стать путем распространения дыма при пожаре, поэтому их интеграция с пожарной сигнализацией обязательна. Необходимо предусмотреть:

• Определение категории помещения венткамеры по взрывопожарной и пожарной опасности.
• Интеграцию АСУК с системой пожарной сигнализации. По сигналу «Пожар» контроллер должен получить команду на немедленное отключение установки кондиционирования, чтобы прекратить подачу воздуха в здание и предотвратить распространение огня и дыма.

Также следует рассмотреть меры защиты от механических опасностей, таких как движущиеся части вентилятора (наличие ограждений).

Заключение: Выводы и перспективы развития проекта

В ходе выполнения данной дипломной работы была успешно решена поставленная инженерная задача — спроектирована автоматизированная система управления для установки кондиционирования воздуха. Для достижения главной цели были последовательно выполнены все необходимые этапы.

В результате проделанной работы:

• Был детально проанализирован объект управления, его устройство и режимы работы.
• Разработана математическая модель, описывающая ключевые процессы тепло- и массообмена.
• Спроектированы и описаны контуры автоматического регулирования температуры и влажности на базе ПИД-регуляторов.
• Обоснован выбор конкретных технических средств: датчиков, программируемого логического контроллера и исполнительных механизмов.
• Выполнены ключевые инженерные расчеты по подбору регулирующего клапана и привода.
• Разработана необходимая проектная документация в виде функциональной и принципиальной электрической схем.
• Доказана экономическая целесообразность проекта расчетом срока окупаемости.
• Предусмотрены мероприятия по обеспечению безопасной эксплуатации системы.

Таким образом, можно сделать главный вывод: цель дипломной работы полностью достигнута. Спроектированная система отвечает современным требованиям по энергоэффективности и качеству регулирования микроклимата.

В качестве возможного направления для дальнейшего развития проекта можно рассмотреть его интеграцию в единую, централизованную систему управления зданием (Building Management System, BMS), что позволит осуществлять диспетчеризацию и координировать работу климатической установки с другими инженерными системами объекта.