Интеллектуальная система управления процессами формирования микроклимата помещений

Ю. Я. Кувшинов, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой, МГСУ,

Р. Ш. Мансуров, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой, Оренбургский государственный университет

В настоящее время невозможно представить систему обеспечения микроклимата помещения (СОМ) без системы автоматизированного управления (САУ). САУ позволяет оптимизировать работу климатического оборудования снижая расходы на эксплуатацию, например, за счет уменьшения энергопотребления. САУ также свободно интегрируется в систему централизованного контроля и управления инженерными, технологическими, информационными и коммуникационными системами, то есть в систему диспетчеризации. Кроме того, САУ повышает надежность СОМ и обеспечивает защиту отдельных ее элементов и узлов от преждевременного износа и выхода из строя под воздействием различных факторов.

Необходимость снижения энергопотребления в системах обеспечения микроклимата требует применения энергосберегающего оборудования, энергосберегающих технологий обработки воздуха, различных организационных энергосберегающих мероприятий.

Применительно к системам вентиляции (СВ) и кондиционирования воздуха (СКВ) часто используемым энергосберегающим оборудованием являются рекуперативные или регенеративные утилизаторы теплоты и теплонасосные установки (ТНУ).

В качестве энергосберегающих технологий обработки воздуха распространение получили байпасирование, 1- и 2-рециркуляция и частотное регулирование производительности вентилятора при изменении воздухообмена в помещении в зависимости от содержания различных вредностей в воздухе рабочей зоны (теплоты, влаги, СО₂, пыли и других вредных веществ).

Из организационных энергосберегающих мероприятий можно выделить автоматически управляемые процессы по снижению температуры в зависимости от времени суток и дня недели, прерывистое отопление (охлаждение) и вентиляцию помещений, учет ассимилирующей способности воздушного объема помещения, теплоаккумулирующих свойств ограждающих конструкций помещения и т. п.

Каждое из перечисленных технических решений дает возможность рационально использовать и экономить энергоресурсы. Желание объединить все в едином комплексе устройств и технологий по снижению энергопотребления до уровня, при котором сохраняются оптимальные параметры микроклимата в помещении, требует применения соответствующей системы автоматизированного управления СОМ.

С ростом применения сложных комплексных СОМ наметился определенный разрыв в понимании поставленной задачи между проектировщиками СОМ и проектировщиками САУ. Зачастую заложенное в проект дорогостоящее оборудование используется неэффективно из-за не достатка знаний у проектировщиков СОМ в области автоматизированного управления и непонимания термодинамических процессов обработки воздуха, процессов формирования микроклимата у проектировщиков САУ.

Преодолеть этот разрыв можно только предложив проектировщикам готовое многовариантное решение по автоматизированному управлению системой обеспечения микроклимата. Многовариантное решение в виде компоновочных решений СОМ и алгоритмов САУ предполагает максимально возможное сочетание энергосберегающих технологий, организационных мер и энергосберегающего оборудования, реализованное в системе обеспечения микроклимата на единой платформе устройств и оборудования. Единая платформа дает возможность проводить исследования по нахождению оптимальных вариантов сочетания технологий, оборудования и мероприятий и алгоритмов функционирования систем при различных внешних и внутренних возмущающих и регулирующих воздействиях на помещение. Единая платформа базируется на свободно программируемом контроллере с большим объемом памяти, что позволяет тестировать алгоритмы управления системой обеспечения микроклимата.

Одновременное применение всех перечисленных составляющих энергоэффективной СОМ на практике не встречается, что обусловлено с трудностями реализации автоматизированного алгоритма взаимодействия между ними. Сложность разработки алгоритма связана с недостаточной изученностью процессов взаимодействия элементов СОМ и процессов управления их взаимодействием на единой платформе с целью оптимизации энергопотребления. Другая причина возникающих трудностей связана с увязкой логики отдельных элементов, являющихся составной частью систем обеспечения микроклимата. Например, «жестко» программируемые контроллеры «прошиты» на заводе-изготовителе и при проектировании САУ не позволяют выйти за пределы заводских настроек, что не всегда соответствует оптимальному режиму работы СОМ в целом. Даже в «свободно» программируемые контроллеры загружена программа, написанная фирмой – поставщиком оборудования для выполнения конкретной задачи, что не всегда соответствует заявленным целям.

Что же должен собой представлять алгоритм выбора варианта, при котором энергопотребление СОМ будет оптимальным? Прежде чем дать ответ на этот вопрос, следует понять, как система управления СОМ будет достигать заданную цель – поддержание заданных параметров микроклимата в помещении.

Возможны два варианта:

а) при соответствующих параметрах наружного климата и микроклимата система выбирает заранее просчитанный алгоритм управления СОМ;

б) система управления сама просчитывает различные комбинации схемных решений и выбирает из них те, которые отвечают поставленной перед ней цели.

Если в первом случае все понятно – следует разработать многовариантную систему алгоритмов, то во втором случае системе управления необходима способность самой синтезировать алгоритм управления для достижения цели, то есть определять в зависимости от целевой функции, например, оптимизации энергопотребления, последовательность управляющих действий для обеспечения заданных параметров микроклимата при изменяющихся воздействиях внешней среды.

В этом случае система управления, активно оценивая информацию от датчиков (сенсоров) об окружающей среде и о текущем состоянии самой СОМ, просчитывает возможные варианты схемных решений и выбирает нужное, после чего принимает решение о последовательности действий, то есть синтезирует алгоритм для достижения цели. Причем алгоритм действий и даже сама цель могут корректироваться исходя из целевой функции и внешних обстоятельств. Таким образом, система управления становится в полном смысле интеллектуальной (ИСУ).

Пример построения ИСУ

Приведем пример. Один из блоков ИСУ (назовем его «базой знаний»), основываясь на информации, полученной от соответствующих сенсоров, ведет мониторинг состояния микроклимата помещения, в результате которого ИСУ «знает», что суббота и воскресенье – нерабочие дни, «знает» начало и окончание рабочего дня. Ведя статистику, оценивая повторяемость событий, то есть пополняя и используя «базу знаний», ИСУ может планировать целевым образом суточную, недельную производительность вентагрегата, тепловую мощность воздухонагревателя, то есть адаптироваться к планово меняющимся условиям, тем самым оптимизируя затраты на потребляемые ресурсы. Если цель достигнута, ИСУ «запоминает» оптимальный вариант, внося его в «базу знаний», и в дальнейшем будет переходить на него при соответствующем состоянии окружающей среды. Если цель по каким-либо причинам недостижима, например, недостаточна мощность теплообменника при текущих параметрах наружного климата, ИСУ корректирует цель, «ухудшая» до допустимого порога параметры микроклимата, снижая, например, производительность вентагрегата или температуру воздуха в помещении.

Система обеспечения микроклимата является сложной динамической системой с высокой степенью неопределенности. Ее поведение невозможно в полной мере достоверно описать математически. В таких системах неопределенность проявляется в виде внутренней и внешней. Внутренняя связана с характером поведения отдельных элементов СОМ, сложным динамическим взаимодействием между ними, стохастическим характером термодинамических параметров внутри самой СОМ. Внешняя неопределенность – это неопределенность взаимодействия с внешней по отношению к СОМ окружающей средой, имеющей, как правило, случайный, часто непредсказуемый характер. Следовательно, работа ИСУ – это адаптация к меняющимся условиям внутреннего состояния СОМ и внешней среды. В такой постановке адаптация означает возможность системы управления «прогнозировать» или «просчитывать» термодинамическое состояние объекта управления (СОМ) под влиянием изменяющихся факторов внешней среды в «будущем» с заданной вероятностью.

Прогнозировать состояние СОМ система управления может с помощью виртуальной (математической) модели физически реальной СОМ, обладающей способностью к распознаванию изменений параметров внешней среды. Такая модель, построенная с применением математических методов, адекватно реагирующая на воздействия внешней среды, должна иметь способность постоянно тестировать действительные параметры оборудования СОМ для «подстройки» виртуальной модели к реальным характеристикам оборудования. Например, после замены вышедшего из строя агрегата ИСУ, периодически тестируя оборудование СОМ, «подстраивает» виртуальную модель, учитывая индивидуальные особенности «нового» агрегата. Таким образом, основным преимуществом ИСУ перед традиционной системой автоматического управления является адаптация к изменяющимся внешним условиям. Причем алгоритм адаптации не прописан «жестко» в памяти системы управления, он нечеткий, неявный и постоянно корректируется в процессе «жизни» СОМ.

Каким же образом свойство адаптации вырабатывается в процессе «жизни» СОМ? В момент запуска в эксплуатацию системы обеспечения микроклимата ИСУ работает так же, как САУ, подчиняясь «жесткому» алгоритму, заложенному изначально в память системы управления. С течением времени система управления эволюционирует в интеллектуальную, используя данные мониторинга, накапливаемые в «базе знаний». По истечении определенного времени полученный опыт трансформируется в закономерности изменения определяющих факторов, оказывающих существенное влияние на параметры микроклимата. Выявленные закономерности, обработанные в виде матриц или зависимостей, позволяют ИСУ прогнозировать параметры микроклимата и затраты на их поддержание при различных вариантах схемных решений СОМ. После завершения выполнения алгоритма ИСУ сравнит прогнозируемые параметры микроклимата с реально достигнутыми параметрами. Если результат работы СОМ совпадет с целью, ИСУ «запомнит» вариант схемного решения СОМ, внесет его в «базу знаний» и будет его применять в дальнейшем при соответствующем сочетании внешних факторов. Таков механизм эволюции ИСУ в жизненном цикле СОМ.

При этом адекватность ИСУ в области управления процессами формирования микроклимата зависит лишь от полноты информации, полученной от системы датчиков, от оснащенности эффективным оборудованием от плавности и глубины регулирования производительности оборудования СОМ. Это означает, что интеллектуальная система управления требует для своей корректной работы значительное количество сенсоров (температуры, относительной влажности, концентрации СО₂ и т. д.) и управляющих элементов (сервоприводов, регуляторов мощности и т. п.) различного назначения как для самого объекта регулирования (СОМ), так и для контроля над микроклиматом помещения и наружным климатом. Дооснащение дополнительными сенсорами может потребоваться ИСУ для контроля над другими инженерными системами или конструктивными элементами здания, которые непосредственно влияют на работу СОМ или на параметры микроклимата.

Таким образом, увеличивая сложность системы обеспечения микроклимата (вариативность схемных решений) и ее системы управления (переход от САУ к ИСУ), мы увеличиваем ее эффективность за счет получения таких новых возможностей СОМ, которыми не обладают ее составляющие элементы в отдельности (эффект эмерджентности). Следовательно, мы получаем технически более сложную систему обеспечения микроклимата, чем традиционные системы климатизации зданий, но в то же время более экономичную, гибкую и эффективно функционирующую.

Одним из ключевых блоков в составе ИСУ является математическая модель СОМ. Виртуальная модель СОМ представляет собой взаимосвязанную систему, состоящую из отдельных моделей элементов СОМ, например, вентилятора, воздухонагревателя, воздуховода и т. д. Механизм работы элемента СОМ в динамике очень сложен и во многих случаях до конца неизвестен. В случае, когда сам механизм работы реального элемента неважен, а имеет значение лишь ее результат, элемент можно заменить так называемым «черным ящиком», в котором важна только функциональная связь «входов» и «выходов». В этом случае задача состоит в формировании функциональной зависимости, в соответствии с которой «черный ящик» реагирует на произвольно меняющиеся входные сигналы (например, температура и скорость входящего в элемент потока воздуха) точно так же, как реальный элемент СОМ.

Функциональная зависимость «черного ящика» в рассматриваемой задаче представляет собой достаточно простую передаточную функцию для каждого элемента СОМ, идентификация которой возможно двумя путями:

а) на основе сопоставления с результатами расчета по математической модели, отражающей достаточно точно физическую сущность процессов в элементе;

б) на основе сопоставления с данными эксперимента на реальной физической модели.

Первый путь требует, как правило, громоздкого математического аппарата [1], который сам нуждается в подтверждении адекватности реальным условиям, а также в значительных вычислительных ресурсах, поэтому для разработки интеллектуальной системы управления он подходит плохо. Наиболее эффективным для решения задачи представляется второй путь, реализация которого не вызывает сомнения в достоверности данных и открывает таким образом возможности для формирования ИСУ СОМ и ее развития в описанной выше последовательности.

Основу для формирования реальной ИСУ составляет экспериментальное исследование передаточных функций элементов СОМ. Следует иметь в виду, что исследованию подлежит широкий круг вариантов работы технических устройств, что необходимо для обобщенного представления вариантов технологий эффективного обеспечения микроклимата.

Экспериментальная установка СОМ

Специально для реализации цели построения ИСУ в рассматриваемой постановке на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции Оренбургского государственного университета создана и введена в эксплуатацию экспериментальная установка СОМ. Помимо традиционного установка включает энергосберегающее оборудование: пластинчатый воздушный рекуператор, утилизатор промежуточным теплоносителем и тепловой насос. Компоновка установки позволяет изменять технологию обработки воздуха с использованием рециркуляции и байпасирования воздуха. Встроенная система управления, реализованная на «свободно» программируемом логическом контроллере (ПЛК) под управлением компьютера, позволяет реализовать и исследовать различные алгоритмы управления оборудованием СОМ, а также обеспечивает автоматизированный съем показаний различных датчиков (сенсоров) по заданному плану экспериментальных исследований. Принципиальная схема стенда (в настоящее время без камеры увлажнения) приведена на рис. 1, а вид стенда – на рис. 2.

Рисунок 1 (подробнее) Принципиальная схема экспериментальной системы обеспечения микроклимата

Рисунок 2 (подробнее) Общий вид экспериментальной системы обеспечения микроклимата

Экспериментальная установка СОМ включает в себя следующее оборудование (обозначения в тексте соответствуют обозначениям, приведенным на рис. 1):

• систему приточных и вытяжных воздуховодов, воздушных клапанов с сервоприводами (Мп1, Мп2, Мп3, Му1, Му2, Мб1, Мб2, Мб3), байпасов и фильтров;
• приточный и вытяжной вентиляторы (Вп, Ву);
• рециркуляционный воздуховод с воздушным клапаном с сервоприводами (Мр1);
• электрический воздухонагреватель (ВТе1);
• пластинчатый воздухо-воздушный рекуператор (РВВ);
• рекуператор с промежуточным теплоносителем (РПТ) в составе: 2-х водяных воздушных теплообменников (ВТw1, ВТw2), трубопроводов, 3-ходового клапана с сервоприводом (Мw1), 2-х циркуляционных насосов (Н1, Н2);
• теплонасосную установку (ТНУ) в составе: 2-х фреоновых воздушных теплообменников (ВТr1, ВТr2), компрессорно-конденсаторного блока (ККБ);
• 4-трубную систему тепло- и холодоснабжения в составе: пластинчатого водо-водяного теплообменника (ТО), 1-го циркуляционного насоса (Н3), 2-ходового клапана с сервоприводом (Мw2), 4-х попарно сдвоенных запорных клапанов с управляющими устройствами (Мw3, Мw4) (эта система в настоящее время в разработке).

Контрольно-измерительные приборы, исполнительные механизмы и регуляторы представлены следующими устройствами:

• сенсорами температуры приточного воздуха (Тп1–Тп8), удаляемого воздуха из помещения (Ту1–Ту6), тепло(хладо)носителя – антифриза (Тw1–Тw4) и фреона (Тr1–Тr4);
• датчиками относительной влажности: наружной (МЕнар), канальной (МЕп) и комнатной (МЕком);
• датчиками дифференциального давления для измерения перепада давления на приточном и вытяжном вентиляторах (ΔРп2, ΔРу3) и реле давления для контроля засоренности воздушных фильтров (ΔРп1, ΔРу1) и обмерзания воздухо-воздушного пластинчатого рекуператора (ΔРу2);
• канальными датчиками скорости воздушного потока в приточном воздуховоде (Vп1), в байпасе РВВ (Vп2), в вытяжном (Vу1) и рециркуляционном (Vу2) воздуховодах и канальными инфракрасными датчиками концентрации двуокиси углерода (СО₂п, СО₂у);
• электронными регуляторами частоты вращения приточного (UZп) и вытяжного вентиляторов (UZу) и электронным регулятором мощности электровоздухонагревателя (ТТС);
• датчиками дифференциального давления (для измерения перепада давления между помещением лаборатории и коридором (±ΔРком), а также между помещением лаборатории и улицей (±ΔРул).

Модель СОМ, оснащенная оборудованием единой платформы устройств, осуществляя различные технологии обработки воздуха, позволяет реализовать следующие режимы:

• круглогодичное проветривание помещения при поддержании в помещении заданной температуры с использование только наружного воздуха;
• создание в обсуживаемом помещении дисбаланса давлений различной полярности за счет изменения расходов приточного и вытяжного воздуха;
• изменение воздухообмена в помещении в зависимости от тепло- и влагоизбытков, а также от концентрации СО₂;
• охлаждение помещения в теплый период года при использовании ТНУ в режиме охлаждения (теплообменник на приточном воздуховоде в роли испарителя ТНУ);
• отопление помещения в переходный период года при использовании ТНУ в режиме нагрева (теплообменник на приточном воздуховоде в роли конденсатора ТНУ);
• круглогодичное проветривание помещения с использование только наружного воздуха;
• поддержание заданной температуры воздуха помещения в холодный период года;
• нагрев приточного воздуха в пластинчатом воздухо-воздушном рекуператоре за счет утилизации теплоты вытяжного воздуха приточным воздухом в переходный и холодный периоды года;
• охлаждение приточного воздуха в пластинчатом воздухо-воздушном рекуператоре за счет утилизации теплоты приточного воздуха вытяжным воздухом в теплый период года.

В настоящее время на опытном стенде ведется моделирование режимов работы отдельных элементов СОМ [2]. В качестве примера на рис. 3 и 4 представлены графики экспериментальных зависимостей в относительных величинах переходных процессов при совместной работе электрического воздухонагревателя и приточного центробежного канального вентилятора, полученные по данным всей 221 серии измерений.

Рисунок 3 (подробнее) Параметры работы блока «воздухонагреватель-вентилятор» при режиме вентилятора 0,6 (70 х 0,6 = 42 Гц); воздухонагревателя при изменении мощности от 0,1 до 0,3

Выводы

Анализируя результаты проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Продолжительность и, соответственно, инерционность переходных процессов нагрева и охлаждения воздуха в элементах систем обеспечения микроклимата оказывают значимое влияние на запаздывание температуры воздуха помещения. Этот факт необходимо учитывать при проектировании алгоритмов автоматизированных систем управления климатическими системами.
2. Экспериментальные зависимости переходных процессов в исследуемых элементах систем обеспечения микроклимата в относительных величинах имеют характерный, не случайный вид и практически симметричны при нагреве и охлаждении воздуха. Это обстоятельство открывает возможность регрессионного анализа экспериментальных данных с целью выявления функциональных связей между различными влияющими и зависимыми параметрами. Это позволит реализовать следующий шаг построения интеллектуальной системы управления – разработать специальную математическую модель того или иного исследуемого элемента системы обеспечения микроклимата.

Литература

1. Кувшинов Ю. Я. Динамические свойства помещения с регулируемой температурой воздуха // Известия вузов. Строительство и архитектура. – 1993. – № 4.
2. Мансуров Р. Ш. Экспериментальное исследование переходных процессов в системах обеспечения микроклимата / Сб. докладов 4-й международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». – М. : МГСУ, 2011.