3 Разработка функциональной схемы объекта

3.1 Функции системы автоматического управления

Система автоматики выполняет следующие функции:

· защита;

· контроль;

· регулирование;

· измерение;

· управления.

1. Защитные функции

Защита двигателей.

Большинство двигателей, используемых в промышленности, включаются и работают автоматически. Но в случае аварии страдает не столько сам двигатель, сколько весь производственный процесс. Длительные простои дорогостоящих линий, для нашего случая это остановка всей системы вентиляции и кондиционирования воздуха, влекут за собой потери намного большие, чем затраты на ремонт двигателя. Поэтому правильная защита двигателя – это задача не только чисто техническая, но и экономическая, заставляющая выбирать между затратами и конечной выгодой.

Электродвигатель – это электромеханический преобразователь энергии, который берет из сети электрическую и отдает на валу механическую энергию.

При этом неизбежно возникновение потерь, ведущих к перегреву двигателя (рисунок 2).

P1 – потребляемая мощность;

PD – мощность вращающего поля;

P2 – мощность на валу;

VСu1 – потери на статоре;

VCu2 – потери на роторе;

VFe – потери на железо;

VR – потери на трение.

Рисунок 2 - Структура охлаждения

Различают потери в меди на статоре и роторе, потери в железе на статоре и потери на трение. При этом, если потери в меди прямо пропорциональны квадрату нагрузки двигателя, то потери в железе и на трение не зависят от нагрузки.

Основная задача устройств защиты двигателя состоит в том, чтобы предотвратить перегрев, как статора, так и ротора. Чем больше двигатель и чем выше его число оборотов, тем выше начальный пусковой ток, и тем более уязвимым будет ротор двигателя.

После включения двигателя и затухания переходного процесса в двигателе устанавливается начальный пусковой ток. Величина начального пускового тока составляет от 4-х до 8-кратной величины тока, при номинальном режиме работы и не зависит от момента нагрузки; таким образом, работает ли двигатель на холостом ходу, или под нагрузкой – значения не имеет. В отличие от этого, время разгона находится в зависимости от характеристик рабочей машины.

Причины тепловой перегрузки:

· из-за повышенного крутящего момента при работе под нагрузкой в продолжительном режиме;

· из-за слишком большой частоты включений;

· из-за слишком продолжительного относительного включения при повторно-кратковременном режиме;

· из-за слишком продолжительных процессов разгона и торможения;

· из-за блокирования ротора при включении или в процессе работы;

· при работе от вентильных преобразователей тока.

Другими причинами тепловой перегрузки могут быть ошибочное подключение или коммутация, а также определенные качества сети, такие как:

· слишком большие отклонения частоты или напряжения в сети от номинальных значений;

· асимметрия сети и обрыв сетевого провода (выпадение фазы).

А также на двигатель негативно сказывается недостаточное охлаждение вследствие:

· высокой температуры охлаждающей среды;

· повышенного уровня места установки (разряженный воздух при установке на высоте более 1000м над уровнем моря);

· нарушение потока охлаждения (засорение вентиляционной решетки).

Самой важной задачей устройства защиты двигателя является своевременное срабатывание, прежде чем температура двигателя достигнет критического значения. Однако, устройства защиты не должны срабатывать, если двигатель:

· работает в продолжительном режиме работы при номинальной мощности;

· в течение допустимого времени разгона и торможения по двигателю проходит начальный пусковой ток;

· перегружен в течение 2 минут в разогретом состоянии 1,5-кратным номинальным током.

Устройства защиты двигателя могут работать по принципу зависимости от тока, либо от температуры.

Тепловые реле 3RU фирмы «Siemens» с токовой зависимостью и расцепитель перегрузки в силовых автоматах 3RV работают с биметаллическими пластинами и обмотками накала, которые нагреваются от тока двигателя.

В расцепителях перегрузки биметаллические пластины освобождают защелку механизма блокировки, а в реле перегрузки срабатывает вспомогательный контакт, который разрывает контур тока в катушке контактора двигателя. Происходит остановка двигателя и система сигнализирует об аварии двигателя.

При асимметрии сети, и особенно при отсутствии тока в одном из проводов, резко возрастает ток в двух других проводах, и потери в двигателе становятся в 1,5-2 раза выше, чем при номинальном режиме. Реле перегрузки, не имеющие чувствительных элементов к обрыву фазы, срабатывает при этом с запаздыванием. По нормам, предельный ток отключения может быть в этом случае на 10% выше, т.е. составляет максимально 1,32-кратную величину тока уставки. Продолжительная работа в условиях такой нагрузки может привести к преждевременному выходу двигателя из строя.

Для того, чтобы в условиях асимметрии сети и однофазного режима работы обеспечить надежную защиту двигателя, реле перегрузки и расцепители дополнительно оснащают дифференциальной защитой и толкателем, который выполняет более раннее отключение.

Тепловые реле защиты с токовременной зависимостью и силовые автоматы обеспечивают высокую степень защиты при низкой стоимости. При их использовании возможна экономическая защита двигателя, особенно в нижнем диапазоне мощностей.

Так же в двигателях присутствует встроенная защита от перегрева (термостат). При возрастании температуры на двигателе релейный контакт термостат даст сигнал в щит управления об аварии двигателя.

3.1.2 Защита водяного калорифера

В зимний период работы системы вентиляции нагрев воздуха осуществляется водой в теплообменнике. Он изготовлен из металлических трубочек с алюминиевым оребрением. В случае замерзания воды в этих трубках происходит их разрыв, что приводит к вытеканию воды из системы, и в дальнейшем требует ремонта или замены теплообменника.

Для защиты от замерзания воды необходимо предусмотреть комплекс

мероприятий:

· обеспечить скорость протекания воды не ниже минимально допустимой;

· установить защиту по температуре воздуха и обратной воды;

· в случаи срабатывания защиты обеспечить отключение вентилятора, закрытие воздушного клапана и открытие регулирующего вентиля.

Для обеспечения скорости протекания жидкости устанавливаем циркуляционный насос.

Для защиты по воздуху устанавливает капиллярный термостат. Капилляр устанавливается за теплообменником, перекрывая все сечение воздуховода. . Термостат срабатывает при температуре воздуха 5°С, замыкая релейный контакт выдает сигнал в щит управления.

Для защиты по воде на выходе трубопровода с обратной водой устанавливается накладной термостат. Термостат срабатывает при температуре воды 20°С, замыкая релейный контакт выдает сигнал в щит управления.

3.2 Функции контроля

3.2.1 Контроль засорения фильтра

Для очистки воздуха от мелких предметов и от пыли на входе воздуха в систему установлен фильтр. Со временем фильтр засоряется, что приводит к увеличении нагрузки на двигателе. Для контроля засорения фильтра устанавливают реле давления, которое измеряет перепад давления до и после фильтра. В случае срабатывания реле, его контакт передает сигнал в щит управления.

3.2.2 Контроль работы двигателя

Для контроля работы двигателя устанавливают реле давления, которое меряет наличие перепада давления до и после двигателя. Во время работы двигателя контакт датчика реле давления находится в замкнутом состоянии. В случае остановки двигателя (пропадания напряжения на двигателе и других возможных аварий) контакт датчика реле давления размыкается, и сигнал передается в щит управления.

3.2.3 Контроль температуры воды в обратном трубопроводе

В дежурном режиме воздушный клапан закрыт, вентилятор выключены. Регулирование осуществляется по температуре Тобр, которая поддерживается равной Тобр.зад. При превышении температуры Тобр над заданным значением контроллер переключается на ее регулирование с целью недопущения перегрева воды, возвращаемой в тепловую сеть. Контроль превышения Тобр активизируется с задержкой после включения вентилятора. При снижении температуры Тобр ниже значения Тзмр система переключается в режим прогрева с целью предотвращения замораживания калорифера.

2. Функции регулирования.

Во время работы системы температура приточного воздуха Tпр.в поддерживается равной заданной 22°С. Сигнал с датчика температуры

приточного воздуха поступает на вход ПИ регулятора контроллера, который вырабатывает управляющий сигнал на открытие или закрытия клапана. В зимний период работы, подогревая воздух, а в летний охлаждая. Регулирование температуры осуществляется с помощью регулирующего клапана.

3. Функции измерения

Система автоматики обрабатывает сигналы, поступающие на вход (Тн.в., Тпр.в., Тобр) по заданной программе и формирует сигналы управления и регулирования, а также отображая значение температуры.

4. Функции управления

Управление системой осуществляется в ручном режиме с помощью кнопок и переключателей, расположенных на панели управления за дверцей щита и в автоматическом режиме. Управление запуском насосов и двигателей происходит с контроллера при благоприятных параметрах системы.

5. Описание функциональной схемы

На функциональной схеме показан принцип автоматизированного управления приточной и вытяжной вентиляции, чертеж ДП АТ061 К897 Э2.

Во время работы системы наружный воздух, через воздухозаборную решетку, поступает в приточную установку, проходит через открытый воздушный клапан, затем через шумоглушитель проходит в секцию карманного фильтра. После этого очищенный воздух проходит через секцию нагрева и в зимний режим работы подогревается до температуры 22°С. Затем воздух проходит через камеру охлаждения и в летнем режиме работы охлаждается. Дальше воздух попадает в секцию вентилятора, где создается напор и после секции шумоглушителя по воздуховодам попадает в обслуживаемые помещения.

Температура приточного воздуха измеряется датчиком (16а). Измеренная температура передается в щит управления, и контроллер вырабатывает сигнал на запорно-регулирующие клапана (8а, 11а).

В системе предусмотрен контроль засорения фильтра. Когда перепад давления до и после фильтра превысит 100Па датчик (4а) замкнет свои контакты

и этот сигнал включит световую сигнализацию и если в течение 72 часов фильтр не почистит или не заменят, остановит систему.

В системе предусмотрена защита калориферов от замерзания. Когда температура воды в обратном трубопроводе снижается ниже 20°С, сигнал от датчика (5а) поступает в щит управления. Также предусмотрена защита по температуре воздуха после калорифер. Датчик (9а) выработает сигнал при температуре 5°С который поступит в щит управления. При поступлении одного из сигналов происходит остановка вентилятора, закрывается сблокированный с ним клапан наружного воздуха и полностью открывается трехходовой клапан (8а) для максимального увеличения расхода теплоносителя. Таким образом, движение холодного воздуха прекращается, а циркуляция теплоносителя через калорифер продолжается. Вследствие отсутствия теплосъема, температура охлажденного теплоносителя начинает повышаться. При достижении температуры теплоносителя 50°С вентилятор включается, клапан наружного воздуха открывается, и работа воздухонагревателя возобновляется.

По датчику температуры наружного воздуха (1а) происходит переключение режимов работы зимний или летний. В зависимости от режима работы воздух либо нагревается или охлаждается. Для регулирования температуры приточного воздуха применяют узел управления подачей теплоносителя в воздухонагреватель. Схема узла управления УУ1 показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема узла управления УУ1.

1 – Накладной термостат защиты калорифера от замерзания по воде.

2 – Циркуляционный насос.

3 – Показывающий стрелочный манометр.

4 – Показывающий стрелочный термометр.

5 – Фильтр.

6 – Накладной датчик температуры обратной воды.

7 – Балансировочный клапан.

8 – Отсечной шаровой кран.

9 – Трехходовой клапан с электроприводом.

Вода из теплосети проходит через балансировочный клапан и фильтр и поступает в теплообменник, отдает часть тепла и возвращается в теплосеть. Циркуляционный насос создает подмешивание воды приточной с обратной водой, которая поступает в приточный трубопровод в зависимости от положения регулирующего клапана. Регулирующий клапан увеличивает или уменьшает поступление обратной воды в теплообменник в зависимости от температуры приточного воздуха или температуры обратной воды, которую измеряет накладной датчик температуры. Накладной термостат обеспечивает защиту теплообменника от замерзания теплоносителя. Если температура воды будет ниже 0°С, то произойдет замерзание теплоносителя и приводит к разрыву трубок теплообменника, который ремонту не подлежит, а замен дорогостоящий.

В летнем режиме работы регулированием подачей холодоносителя применяется узел управления подачей холодоносителя в воздухоохладитель. Узел управления подачей холодоносителя в воздухоохладитель УУ2 показан на рисунке 4.

Рисунок 4 - Подача хладоносителя в воздухоохладитель УУ2.

2 – Циркуляционный насос.

3 – Показывающий стрелочный манометр.

4 – Показывающий стрелочный термометр.

5 – Фильтр.

7 – Балансировочный клапан.

8 – Отсечной шаровой кран.

9 – Трехходовой клапан с электроприводом.

Вода из холодильной машины проходит через балансировочный клапан и фильтр и поступает в секцию охлаждения, нагревается и возвращается в теплосеть. Циркуляционный насос создает подмешивание воды приточной с обратной водой которая поступает в приточный трубопровод в зависимости от положения регулирующего клапана. Регулирующий клапан увеличивает или уменьшает поступление обратной воды в теплообменник в зависимости от температуры приточного воздуха.

3. Разработка принципиальной электрической схемы

На принципиальной схеме изображаются все электрические элементы и устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все электрические связи между ними, а также электрические элементы (соединители, зажимы и т.п.), которыми заканчиваются входные и выходные цепи, чертеж ДП АТ061 К897 Э3.

Система имеет два режима работы зимний и летний. В зимний период работы системы воздух перед подачей в обслуживаемое помещение подогревается, а в зимний охлаждается. Тепло и хладоносителем в нашей системе является вода. Переключение происходит автоматически либо в ручную. Автоматический переход происходит по датчику температуры наружного воздуха с гистерезисом. Переход с зимнего на летний при температуре 12°С, а с летнего на зимний при температуре 8°С. В ручном режиме с помощью переключателей (SA1, SA2). Рассмотрим по отдельности эти режимы.

4.1 Режим работы в зимний период

4.1.1 Дежурный режим

В дежурном режиме воздушные клапаны закрыты, вентиляторы приточной и вытяжной установки выключены, на щите лампы «СЕТЬ» (HL1), «ЗИМНИЙ РЕЖИМ» (HL5), «ВОЗДУШНЫЙ КЛАПАН ЗАКРЫТ» (HL4) и «СТОП» (HL3) находятся во включенном состоянии. Циркуляционный насос в узле регулирования подачей теплоносителя работает, регулирование осуществляется по температуре Тобр., которая поддерживается равной Тобр.зад.

4.1.2 Пуск системы

Переход из дежурного режима в режим вентиляции возможен только после прогрева калорифера. Для запуска системы необходимо нажатькнопку «ПУСК» (SB1) расположенную на лицевой панели за дверцей щита. При этом лампа «СТОП» (HL3) выключится и включится лампа «ПУСК» (HL2) и система перейдет в режим прогрева. В режиме прогрева воздушные клапана закрыты, вентиляторы выключены. Регулирование осуществляется по температуре Тобр., которая доводится до значения Тпуск, после чего на клапан подается дополнительный "упреждающий" импульс на открытие, и после заданной задержки, система перейдет в режим вентиляции.

1. Режим вентиляции

При подаче напряжения на двигатель вентилятора одновременно подается сигнал на открытие воздушного клапана и в течение 10 секунд должен поступить сигнал об открытии клапана и выключится лампа «ВОЗДУШНЫЙ КЛАПАН ЗАКРЫТ».

В режиме вентиляции регулирование осуществляется по температуре приточного воздуха Тпрв, которая поддерживается равной Тпрв.зад. При превышении температуры Тобр над заданным значением контроллер переключается на ее регулирование с целью недопущения перегрева воды, возвращаемой в тепловую сеть. Контроль превышения Тобр активизируется с задержкой после включения вентилятора.

2. Аварийные режимы

Опасность замерзания калорифера.

При срабатывании контактных датчиков защиты по воде или по воздуху

система переходит в дежурный режим и загорается лампа «ОПАСНОСТЬ ЗАМЕРЗАНИЯ». После пропадания сигнала система переходит в режим прогрева и заново запускается.

0. Авария двигателя

При срабатывании контактного датчика воздушного потока или термостата перегрева двигателя в режиме вентиляции система переходит в дежурный режим и включается лампа «АВАРИЯ ДВИГАТЕЛЯ». Сброс сброса аварии осуществляется нажатием кнопки «СТОП».

0. Засорение фильтра

При срабатывании контактного датчика воздушного потока загорается лампа «ФИЛЬТР ЗАСОРЕН». И если в течение 72 часов систему не остановят и не почистят фильтр, переведет систему в дежурный режим.

0. Воздушный клапан не открылся

После подачи сигнала открытия на привод воздушного в течение 10 секунд сигнал о закрытии клапана поступает, то система переходит в дежурный режим, а лампа ВОЗДУШНЫЙ КЛАПАН ЗАКРЫТ» включается и выключается с интервалом 1 секунда.

4.2 Режим работы в летний период

4.2.1 Дежурный режим

В дежурном режиме воздушные клапаны закрыты, вентиляторы приточной и вытяжной установки выключены, на щите лампы «СЕТЬ» (HL1), «ВОЗДУШНЫЙ КЛАПАН ЗАКРЫТ» (HL4) и «СТОП» (HL3) находятся во включенном состоянии. Циркуляционный насос работает. Регулирование не осуществляется.

4.2.2 Пуск системы

Для запуска системы необходимо нажать кнопку «ПУСК» (SB1), расположенную на лицевой панели за дверцей щита. При этом лампа «СТОП» (HL3) выключится и включится лампа «ПУСК» (HL2) и система перейдет в режим вентиляции.

4.2.3 Режим вентиляции

При подаче напряжения на двигатель вентилятора одновременно подается сигнал на открытие воздушного клапана и в течение 10 секунд должен поступить сигнал об открытии клапана и выключится лампа «ВОЗДУШНЫЙ КЛАПАН ЗАКРЫТ» (HL4).

В режиме вентиляции регулирование осуществляется по температуре приточного воздуха Тпрв, которая поддерживается равной Тпрв.зад.

4.2.4 Аварийные режимы

Авария двигателя.

При срабатывании контактного датчика воздушного потока или термостата перегрева двигателя в режиме вентиляции система переходит в дежурный режим и включается лампа «АВАРИЯ ДВИГАТЕЛЯ» (HL8).

Сброс сброса аварии осуществляется нажатием кнопки «СТОП» (SB2).

Засорение фильтра.

При срабатывании контактного датчика воздушного потока загорается лампа «ФИЛЬТР ЗАСОРЕН» (HL6). И если в течение 72 часов систему не остановят и не почистят фильтр, переведет систему в дежурный режим.

Воздушный клапан не открылся.

После подачи сигнала открытия на привод воздушного клапана в течение 10 секунд сигнал о закрытии клапана поступает, то система переходит в дежурный режим, а лампа «ВОЗДУШНЫЙ КЛАПАН ЗАКРЫТ» (HL4) включается и выключается с интервалом 1 секунда.

При поступлении сигнала с пульта пожарной охраны система переключится в дежурный режим без автоматического перезапуска при пропадании сигнала.

Значения уставок системы указаны в таблице №4.1.

Таблица №4.1 – значение уставок системы

Параметр	Наименование	Значение
Тпрз	Заданная температура приточного воздуха.	22°С
Тобр. зад.	Заданная температура воды в обратном трубопроводе.	45°С
Тобр.змр.	Минимальная температура воды в обратном трубопроводе.	20°С
Тлетн.	Температура наружного воздуха, при котором система меняет режим работы.	10°С

1. 4.3 Разработка схемы внешних соединений

На схеме соединений изображены все устройства и элементы, входящие в состав изделия, их входные и выходные элементы (соединители, платы, зажимы и т.п.), а также соединения между этими устройствами и элементами.

На схеме показано соединение всех датчиков, исполнительных механизмов, двигателей, питающих кабелей к щиту управления, а также передача этих сигналов на микроконтроллер.

Дискретные датчики и исполнительные механизмы подсоединяются к щиту контрольным кабелем КВВГ, а аналоговые датчики подключаются экранированным кабелем МКЭШ. При подключении к щиту управления экраны кабелей соединяются между собой на шине заземления.

Щиты управления и агрегаты систем должны быть заземлены согласно требованиям ПУЭ.

Все подключенные кабели и провода должны быть отмаркированны согласно проекту.