Разработка системы автоматического управления отоплением, вентиляцией и освещением производственного помещения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Требуемый микроклимат в помещении создается следующими системами инженерного оборудования зданий: отопления, освещения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Системы отопления служат для создания и поддержания в помещениях в холодный период года необходимых температур воздуха, регламентируемых соответствующими нормами. Таким образом, они позволяют разрешить лишь одну из задач по созданию и обеспечению микроклимата в помещении - необходимого теплового режима.

В тесной связи с тепловым режимом помещений находится воздушный режим, под которым понимают процесс обмена воздухом между помещениями и наружным воздухом. Системы вентиляции предназначены для удаления из помещений загрязненного воздуха.

Системы кондиционирования воздуха являются более совершенными средствами создания и обеспечения в помещениях улучшенного микроклимата.

Автоматизация освещения - очень важный элемент на производстве. Автоматизация освещения имеет два приемущества, первое - это экономия электроэнергии, то есть выключение освещения во время достаточного естественного освещения. Второе приемущество - это оптимальное освещение в производственном помещений. Недостаток освещения приводит к упадку сил, а так же к сонливости. В результате продутивность работы снижается.

1. Выбор и обоснование конфигурации обордувания

1.1 Формулировка задания

В данной работе рассматривается система автоматического управления отоплением, вентиляцией и освещением произвоственного помещения.

Управление поделено на три сегмента, которые будут в дальнейшем времени показаны на панели HMI. Управление осуществляется в автоматичиском или в ручном режиме. Система включается при нажатий кнопки START. Далее происходит выбор режима. Если нажата кнопка STOP, то все выходные элементы будут выключены.

Первый сегмент это отопление. Отопительная система должна работать так, чтобы в помещениях всегда было комфортно. Отопление помещения происходит методом конвекции, то есть нагретый воздух поднимается вверх. Воздух нагревается посредством радиаторов, в которых нагретая вода поступает по трубам из котла отопления.

Имеется датчик аналоговый температуры ТТ, установленный внутри помещения. Система отопления работает по двум режимам ZIMA и LETO, зависящий от времени года. После выбора режима включается KTL (котел). В холодное время года (ZIMA) нагревание включается если температура ниже 19 градусов, при достижений температуры 21 градусов нагревание отключается. При превышений температуры в 26 градусов включается CON (кондиционер). Оно выключается при температуре ниже или равной 24 градусов.

В теплое время года (LETO) работает так же. Но нагревание воды начинается если температура внутри помещения ниже 16 градусов, при достижений температуры 18 градусов нагревание отключается. При превышений температуры в 25 градусов включается CON (кондиционер). Оно выключается при температуре ниже или равной 23 градусов.

Так же можно управлять отоплением в ручную. Есть кнопка включения EN_H и выключения DIS_H нагревания воды. Кондиционирование так же можно включить EN_CON либо выключить DIS_CON.

Второй сегмент это освещение. На улице расположен аналоговый датчик освещенности DL. Освещение зависит от показания этого датчика. В помещение падает большое количество света с улицы. В комнате имеется два источника света вспомогательное освещение S_LED и основоное освещение M_LED. Если освещение на улице в диапазоне от 900 до 1200 люксов, то оба источника света будут выключены. При недостатке освещения, то есть если освещение ниже 500 люксов, после задержки в 30 секунд включается основное освещение. Если вспомогательное было включено , то оно выключится. Если освещение в диапазоне от 500 до 900, после задержки в 30 секунд включится вспомгательное освещение и выключится основное освещение если оно было включено. Так же его можно включить S_LED_ON и выключить S_LED_OFF в ручную. После наступления ночи, сделав задержку в 30 секунд включается основное освещение, если вспомогательное освещение было включено, то оно отключается. Оновное освещение так же можно включить M_LED_ON либо выключить M_LED_OFF в любое время в ручном режиме. Третий сегмент это вентиляция. Вентиляция происходит вытяжной системой. Которое включается периодический каждые пол часа. В помещений находится датчик углекислого газа DCO2. При величине до 400 ppm вытяжение не будет работать. При увелечений концентраций углекислого газа, если оно будет лежать в диапазоне от 400 ppm до 600 ppm и если таймер отсчитал свои 30 минут, то включается вытяжка воздуха на 5 минут. Если показания будут в диапазоне от 600 ppm до 1000 ppm и если таймер отсчитал свои 30 минут, то включается вытяжка воздуха на 10 минут. Есле же концентрация будет выше 1000 ppm и если таймер отсчитал свои 30 минут, то включается вытяжка воздуха на 15 минут. Вытяжение включается EXH_ON либо отключается EXH_OFF в ручном режиме кнопками.

1.2 Составление структурной схемы системы автоматизаций

Рисунок 1 - Структурная схема система автоматизаций

1.3 Выбор и обоснование выбора оборудования

Поскольку у нас 15 входных сигналов и 6 выходных сигналов, в качестве программируемого логического контроллера (PLC) было выбрано Siemens Simatic S7 314C-2PN/DP CPU (6ES7314-6EH04-0AB0). Потому что он компактный и со встройными модулями. А так же еще один резервный ПЛК. Резервный ПЛК нужен для того, чтобы работать в случае поломки первого процессора. На рисунке 2 изображена аппаратная часть ПЛК.

Характеристика:

- Рабочая память 192 Кб.

- Загружаемая память (MMC) - 8 МБ.

- Время выполнения логических операций - 0.06 мкс:

- Количество флагов/таймеров/счетчиков -2048/256/256.

- Кол-во каналов ввода-вывода, дискретных/ аналоговых, не более - 16048/1006.

- Встроенные интерфейсы - MPI / DP и ETHERNET PROFINET.

- Встроенных дискретных входов/выходов - 24/16.

- Встроенных аналоговых входов/выходов -4 AI (I/U) +1 AI (Pt100)/2 AO.

- 4 быстрых счётчика (60 кГц).

Блок питания PS 307; 5 A отличается следующими свойствами:

- выходной ток 5 A.

- выходное напряжение 24 в пост. тока; регулируемое, устойчивое при коротком замыкании и холостом ходе.

- подключение к однофазной системе переменного тока (номинальное входное напряжение 120/230 В перем. тока, 50/60 Гц).

- надежная гальваническая развязка в соответствии с EN 60 950.

- может быть использован как источник питания нагрузки.

В проекте будет использовано SIMATIC HMI Comfort Panel. SIMATIC HMI Comfort Panel -- это новая серия панелей оператора для решения широкого круга задач человеко-машинного интерфейса. Отсутствие вращающихся частей, небольшая монтажная глубина, высокая стойкость к вибрационным и ударным, а также электромагнитным воздействиям, степень защиты фронтальной части корпуса IP65 позволяют использовать панели этой серии в жестких промышленных условиях, успешно решать задачи оперативного управления и мониторинга на уровне производственных машин и установок.

Все панели этой серии оснащены:

- Встроенным интерфейсом RS 422/RS 485 с поддержкой протокола PROFIBUS DP.

- Встроенным интерфейсом PROFINET. В панелях операторов с диагональю экрана от 7” и выше этот интерфейс оснащен встроенным 2-канальным коммутатором Ethernet.

- Двумя USB-Host портами и одним USB портом ведомого прибора.

- Двумя отсеками для установки SIMATIC HMI SD карт.

- Аудио входом и аудио выходом.

- 2-полюсным съемным терминальным блоком подключения цепи питания =24 В.

Они могут работать с программируемыми контроллерами:

- S7-300/ S7-400/ WinAC с подключением через PROFIBUS DP или PROFINET;

В данном проекте будет использовано TP1200 Comfort, диагональ 12 дюймов.

Датчик освещенности DL.

Техническое описание.

Датчик освещенности имеет следующие характеристики:

- Датчики для встраиваемых применений D15х40мм (LP01) / D30х6мм (LP02).

- Встроенный кабель длиной от 2 до 15м (стандартная длина 2м).

- Спектральная характеристика в области видимого света: 400…700нм.

- Стандартные диапазоны измерения: 100, 1000, 10000 Люкс.

- Выходной сигнал: 4-20мА с 2-х проводной схемой подключения.

Отличительной особенностью датчиков серии LP01 и LP02 является наличие встроенной платы преобразования сигналов фотоэлемента в ток 4-20мА, что позволяет передавать выходной сигнал без искажений на расстояние до 500м.

Датчик температуры TT.

Датчик температуры комнатный SIEMENS QAA2071 используется в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для измерения и регулирования комнатной температуры. Датчик температуры QAA2071 выполнен на базе чувствительного элемента NTC и работает в диапазоне температур 0...50 °C

Таблица 1 - Техническое описание

Свойство	Значение
Рабочее напряжение	DC 13.5...35 V
Диапазон измерения температуры	0...50 °C
Точность измерений	При -50...50 °C: ±0.9 K
Постоянная времени	7 мин
Электрические подключения	Винтовые зажимы
Аналоговый выход, сигнальный	DC 4...20 мA
Дисплей	---
Класс защиты	IP30
Размеры (Ш х В х Г)	90 x 100 x 36 мм

Датчик DCO2.

Датчик DCO2 предназначен для измерения содержания CO2 воздуха в помещении. Датчики (кроме реле) комбинируют в современном корпусе измерение содержания СО2, относительной влажности (RH) и температуры (Т). Измерение содержания СО2 основывается на инфракрасном принципе.

Таблица 2 - Техническое описание

Напряжение питания	15…35 В пост. тока
Тип выхода	перекидное реле 0-10 В 4-20 мА
Диапазоны измерения CO2	0…2000 ррм 0…5000 ррм
Погрешность измерения CO2 (25°С)	<± (50ррм+2% от изм. знач.) <± (50ррм+3% от изм. знач.)
Диапазоны измерения влажности	10…90%
Погрешность измерения влажности	± 5%
Погрешность измерения темп.	± 0,3°С
Рабочая температура	- 20 … +60 °С
Температура хранения	- 20 … +60 °С
Относительная влажность	<90%

Твердотелое реле

Технические параметры:

- Управление: пост.ток.

- Управляющее напряжение, В 3…32.

- Коммутируемое переменное напряжение , В 40…440.

- Максимальный ток нагрузки , А 100.

Физические кнопки управления.

Характеристика:

- Рабочее напряжение, В 24.

- Ток нагрузки, А 10.

- Температура работы, С -55...65.

Рисунок 2 - Конфигурация оборудования

1.4 Составление электрической схемы автоматизации

Рисунок 3 - Электрическая схема аналогового входа

Рисунок 4 - Электрическая схема дискретного входа\выхода

2. Составление блок схемы алгоритма и програмного обеспечения нижнего уровня на языке Step7 LAD, STL

2.1 Составление блок-схемы алгоритма программы

В первой части на рисунке 5 происходит опрос кнопок (физические кнопки или управление через HMI). Сначала происходит опрос кнопки STOP, если есть сигнал то все механизмы отключаются независимо от режима работы. Если сигнала нет, то происходит опрос кнопки START. При отрицательном состояний (она не нажата) цикл уходит в конец. Если есть сигнал о нажатий START, то выполняется вторая часть.

Во второй части на рисунке 6 происходит выбор режима работы (автоматический или ручной режим). Если есть сигнал AUTO, то выбирается режим автоматического управления и работа переходит в третью часть. Если сигнала нет то ПЛК делает опрос MANUAL. При положительном сигнале, управление осуществляется в ручном режиме и работа переходит в четвертую часть.

В третьей части на рисунке 6 происходит выбор режима работы отопления и кондиционирования, зависящий от времени года. После этого прооисходит опрос датчика температуры TT, далее управление зависит от значения этого датчика.

В четвертой части (рисунок 6) осуществляется опрос кнопок управления (физические кнопки или управление через HMI) в ручном режиме работы. В этой части исходя из сигнала кнопок происходит выключение либо включение исполнительных механизмов.

В пятой части (рисунок 6) ПЛК делает опрос датчика освещения DL, а затем исходя из его значений выполняется автоматическое управление освещением. После этого происходит опрос значений датчика углекислого газа DCO2, управление вытяжкой зависит от его значений.

Для удобства программирования алгоритма, он был поделен на отдельные функций. Порядок вызова функций организоционным блоком изображен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структура прикладной программы

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма программы



Рисунок 7 - Блок-схема алгоритма программы

2.2 Составление таблицы символов

Для удобной работы тэги были разделены на несколько таблиц символов. На рисунке 7 изображен список этих таблиц. BIN_IN содержит 42 тэга которые используются для обработки дискретных входных сигналов. ANA_IN содержит тэги аналоговых входных сигналов. BIN_OUT содержит тэги дискретных сигналов. В Useful_tags находятся прочие тэги которые являются неотъемлемой частью алгоритма программы.

На рисунке 8, 9, 10, 11, 12 изображены непосредственно тэги применяемые на уровне программирования алогоритма автоматизаций.

Рисунок 8 - Группы тэгов

Рисунок 9 - Тэги BIN_IN



Рисунок 10 - Тэги BIN_IN

Рисунок 11 - Тэги ANA_IN

Рисунок 12 - Тэги BIN_OUT



Рисунок 13 - Тэги useful_tags

2.3 Составление программы на языке Step7 (STL)

Алгоритм работы программы в TIA Portal для автоматизаций отопления, кондиционирования, освещения и вентиляций приведен на языке STL:

Рисунок 14 - Функциянальные блоки программы



Рисунок 15 - Кнопка остановки системы

Рисунок 16 - Старт системы и выбор автоматического режима

Рисунок 17 - Масштабирование аналогового сигнала датчика температуры



Рисунок 18 - Масштабирование аналогового сигнала датчика освещенности

Рисунок 19 - Масштабирование аналогового сигнала датчика углекислого газа

Рисунок 20 - Выбор режима работы отоплени



Рисунок 21 - Включение нагревания воды (температура ниже 18)

Рисунок 22 - Выключение нагревания воды (температура больше 18)

Рисунок 23 - Включение кондиционера (температура больше 25)



Рисунок 24 - Выключение кондиционера (температура ниже 23)

Рисунок 25 - После обработки блока отопления, следующем вызывается блок автоматизация освещения

Рисунок 26 - Включение основного освещения (освещение ниже 500 лк)



Рисунок 27 - Включение вспомогательного освещения (освещение в диапазоне от 500 до 900 лк)

Рисунок 28 - Выключение всего освещения (освещение в диапазоне от 900 до 1200 лк)

Рисунок 29 - После обработки функций освещения следующем вызывается функция вентиляции



Рисунок 30 - Включение таймера ожидания проверки

Рисунок 31 - Включение вытяжения на 15 сек.(концентрация газа в диапазоне от 400 до 600 ppm)

Рисунок 32 - Включение вытяжения на 20 сек.(концентрация газа в диапазоне от 600 до 1000 ppm)



Рисунок 33 - Включение вытяжения на 25 сек.(концентрация газа больше 1000 ppm)

Если в начале выбора режима отопления был выбран режим ZIMA, то вызывается функция ZIMA и обрабатывается так же как и функция LETO. Отличия только в диапазонах температуры.

Рисунок 34 - Вызов функций ZIMA

Ручное управление выполняется в одной функций MANUAL. Вызывается в организоционном блоке если была нажата кнопка ручного управления. Ниже представленных рисунках изображены включения выходных элементов. Алгоритм выключения выполняется при таком же порядке, но результат RLO инвертируется.



Рисунок 35 - Вызов функций MANUAL

Рисунок 36 - Включение котела отопления

Рисунок 37 - Выключение котела отопления



Рисунок 38 - Включение обогревания

Рисунок 39 - Включение кондиционера

Рисунок 40 - Включение основного освещения



Рисунок 41 - Включение основного освещения

Рисунок 42 - Включение вытяжения

3. Создание диспетчерского пункта и реализация полной SCADA системы

3.1 Составление перечня тегов (HMI Tags) связи программы контроллера с объектами диспетчерского пункта

программный контроллер логический аналоговый

В разделе HMI Tags (рисунок 43) был создан список тегов для визуализации и управления технологическим объектом.

Рисунок 43 - Данные HMI Tags

3.2 Составление окон диспетчерского пункта (Screens) для HMI панели.

Окна диспетчерского пункта для HMI состоит из семи окон (рисунок 44). Root Screen (рисунок 45) - это окно которое открывается при включений HMI. В этом окне находятся три кнопки являющиеся ссылками на окна AUTOMATION, MANUAL, TRENDS.

Окно AUTOMATION (рисунок 46) состоит из панели управления в режиме автоматического управления. MANUAL (рисунок 47) - окно содержащее панель управления в режиме ручного управления.

TRENDS (рисунок 48) содержит графическое представление значений аналоговых входных сигналов.



Рисунок 44 - Окна диспетчерского пункта

Рисунок 45 - Окна диспетчерского пункта

Рисунок 46 - Окно автоматического управления



Рисунок 47 - Окно в режиме ручного управления

Рисунок 48 - Окно TRENDS

Рисунок 49 - Trend датчика температуры TT



Рисунок 50 - Trend датчика освещения DL

Рисунок 51 - Trend датчика углекислого газа DCO2

Заключение

Во время выполнения курсовой работы закрепил знания по курсу «Средства автоматизации технологического процесса ТЭК», развил навыки проектирования автоматизированных систем управления технологическими объектами, освоил основные свойства микропроцессорных систем, изучил структурное и програмное построение микропроцессорных систем и промышленных контроллеров, закрепил навыки программирования промышленных контроллеров.

В ходе выполнения данной работы произвел выбор конфигурации оборудования с учетом особенностей технологического объекта. Составил блок-схему алгоритма функционирования автоматизированной системы управлением микроклимата и написал програмное обеспечение нижнего уровня на языке STL. Реализовал полную SCADA систему для выбранного технлогического объекта.

Литература

1. А.А. Копесбаева, Е.С Ким. Средства автоматизации технологического процесса ТЭК. Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов специальности 5B071600 - Приборостроение.- Алматы: АУЭС, 2016, - 23с.

2. Siemens AG. S7 300 Modul Data. Руководство.

3. Siemens AG. HMI Comfort Panel. Data sheet. Руководство.

4. Siemens AG. Датчик температуры комнатный. Руководство к экпслуатации. Landis & Staefa Division, 1996.

5. Датчики освещенности LP01 / LP02. Техническое описание.

6. Жаров С.А. Основы сетевой безопасности: Криптографические алгоритмы и протоколы. - ВРс.: Винтерфэл, 2012.

Размещено на Allbest.ru