Основы управления системами энергоснабжения и энергопотребления

Введение

Функционирование любого физического объекта характеризуется двумя обобщенными параметрами состояния – количественным и функционально связанным с ним качественным.

Количественный параметр – поток энергии, вещества, информации, продукции, непрерывно проходящий через данный объект. Этот параметр определяет поведение объекта, от него зависит главным образом его энергетическое состояние. Например, это потоки газа, воды, теплоты, воздуха, электроэнергии и т.д. Различают подвод (источник) энергии к объекту и отвод (потребитель). Например, вентилятор является источником энергии, аэродинамическая сеть – потребителем.

При эксплуатации объектов необходимо обеспечивать материальный и энергетический баланс между подводом и отводом.

Нарушение баланса между подводом и отводом ведет к нарушению стационарного режима объекта, на что сразу же указывает изменение качественного параметра. При этом существует строгая взаимосвязь между определенными параметрами состояния для большинства физических процессов. Связь между количественным и качественным параметрами простых процессов выражается в виде однородных дифференциальных уравнений в форме уравнений Лагранжа второго рода – математических моделей. Они связывают не произвольные величины, а физически взаимосвязанные – количественные и качественные параметры: теплоту – с температурой, расход воды – с уровнем, расход газа – с давлением, крутящий момент – с частотой вращения и т.д.

Основой всех изменений в природе являются количественные изменения, которые, как правило, приводят к изменениям качественным. Этим подтверждается диалектическая сущность процессов, лежащих в основе процесса управления.

Проектирование различных объектов сводится к инженерным расчетам, в основу которых положены зависимости, обеспечивающие функционирование объекта при расчетных номинальных и стационарных условиях.

Любая установка, машина лишь небольшую долю времени работает в стационарных условиях, большей же частью режимы их работы – нестационарные. В этих условиях объект нуждается в воздействиях извне, чтобы режим возвратился как минимум к расчетному. Этот процесс называют управлением объектом.

Итак, основной задачей управления объектом является обеспечение его стационарного режима при любых изменениях внешних и внутренних воздействий. Это непосредственно связано с ресурсоэнергосбережением, экономикой, экологией и рядом других аспектов.

СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ

Любой функционирующий объект может находиться в одном из двух состояний: детерминированном (предопределенном) и вероятностном (стохастическом). Задачей управления является перевод объекта из второго состояния в первое. Для ее выполнения человек должен обладать информацией о состоянии объекта либо предписанием (алгоритмом) его функционирования.

Значит, в его распоряжении должны быть органы информации, измеряющие качественный параметр, – измерительные приборы либо средства, в которых закодированы определенные команды (руководства, инструкции и т.п.). Помимо этого в распоряжении человека должны находиться органы управления, при помощи которых он осуществляет воздействие на объект, на его количественные характеристики.

Известны три основные группы органов управления, характерных для систем энергопотребления:

• распределительные (клапаны, задвижки, поворотные заслонки и др.);

• управляющие устройства (насосы, компрессоры, вентиляторы и т.п.);

• электрические (реостаты, автотрансформаторы, пускатели и др.).

Схематически реализация идеи управления состоит в следующем: на основе информации выработать соответствующее управляющее воздействие, чтобы вернуть объект к прежнему или перевести на новый стационарный режим. Она показана на примере гидравлического объекта (рис. 53 а).

В схему управления входят основные элементы: ОУ (объект управления) - наполняемый бак с трубопроводами; ОИ (орган информации) – поплавок с делениями; Оп – оператор; УО (управляющий орган), – задвижка. Эти элементы находятся во взаимосвязи и передают друг другу определенные воздействия в виде сигналов, импульсов. Назовем их:

z = Q₁ – Q₂ – возмущающее воздействие (разность расходов воды на отводе и подводе);

x – управляемая величина (уровень);

у – управляющее воздействие (перемещение штока клапана);

w – задающее (командное) воздействие (х' - преобразованная величина х).

Последовательность операций, выполняемых оператором в процессе управления, может иметь два варианта:

а) восприятие изменения управляемой величины, сравнение текущего ее значения с заданным (нормируемым), принятие решения и оперативное действие;

б) восприятие команды, оперативное действие.

Эти варианты имеют принципиальное различие. В первом случае передача сигналов происходит по замкнутому контуру (рис. 53б). Случайное изменение расхода жидкости  Q вызывает соответствующее изменение ее уровня  х, оператор изменяет положение задвижки  у, что приводит к изменению расхода  Q и восстановлению исходного значения уровня. В этом случае объект находится под постоянным контролем оператора, который вместе с органом информации и управляющим органом образует своеобразное управляющее устройство, а совместно с объектом – систему управления.

Во втором случае передача воздействий происходит по разомкнутой цепочке. Поведение объекта не контролируется, точность поддержания управляемой величины х зависит от правильности команд w и опыта оператора (рис. 53в).

Оба варианта передачи сигналов широко применяются в технике и носят название замкнутых и разомкнутых систем управления. Кроме того, их соответственно именуют системами регулирования и собственно системами управления.

Рассмотренные принципы характеризуют ручное управление или первую стадию управления. Вторая и третья стадии представляют собой полуавтоматическое и автоматическое управление, когда оператор освобождает себя от функции формирования управляющего воздействия (физической нагрузки), а на последней стадии полностью исключает свое участие в процессе управления.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ (АВТОМАТИЗАЦИЯ)

Во многих отраслях народного хозяйства нагрузки на человека в процессе управления достигли таких пределов, что потребовалась передача ряда его функций автоматам и ЭВМ.

Автоматизировать можно в принципе любой процесс, но без определенных предпосылок, без соединения с передовой технологией невозможно добиться высокого эффекта.

В ходе автоматизации затрагивается множество, казалось бы, несвязанных проблем. Для своей реализации автоматизация требует технического, математического, организационного, информационного и правового обеспечения.

Техническое устройство называют автоматическим, если оно функционирует и управляется без непосредственного участия человека длительное время. Совокупность технических средств автоматизации (ТСА), выполняющих определенную целевую задачу без участия человека, представляет автоматическую систему. Системой принято называть объединение элементов любой физической природы, рассматриваемых как связное целое, для общей цели – функционирования. Следует различать автоматические и автоматизированные системы, последние допускают периодическое вмешательство человека в деятельность автоматов со строго определенными функциями.

Автоматика – отрасль техники и прикладная научная дисциплина, разрабатывающая и изучающая принципы построения и расчета автоматических систем, являющаяся частью общей науки о поведении автоматических систем – технической кибернетики. Термином “автоматика” также широко пользуются для сокращенного обозначения различных средств автоматизации, автоматических систем.

Понятие “автоматизация” в настоящее время употребляется в самом широком смысле слова и служит для обозначения комплекса мероприятий технического и организационного характера, направленных на замену или облегчение труда человека с помощью разнообразных средств: от простых устройств и механизмов до сложных вычислительных комплексов.

Автоматизация производственных процессов создает определенные технико-экономические преимущества во всех отраслях современного народного хозяйства страны.

С внедрением средств автоматизации неизбежно повышается производительность труда. За последние сто лет производительность труда возросла в 20 раз, при этом доля механизированного труда с 6 % увеличилась до 96 %.

В результате автоматизации снижается себестоимость изделий, увеличивается выпуск продукции, повышается ее качество, уменьшается количество брака и отходов производства, сокращаются расходы на заработную плату, сырье, материалы и т.п.

При этом решающим фактором является снижение расходов топлива, тепловой и электрической энергии, что весьма характерно для систем теплоснабжения и теплопотребления. Использование средств автоматизации увеличивает надежность оборудования, точность производства, безопасность труда. Появляется возможность использовать высокоэффективные технологические процессы и устройства, характер применения которых исключает участие человека (ядерная энергетика, химическое производство, высокоскоростные процессы и т.п.).

Значительная экономия тепловой энергии, расходуемой на теплопотребление, при сравнительно небольших капиталовложениях обеспечивается за счет автоматического регулирования. При установлении оптимального режима работы экономия теплоты может составить 20 % и более годового потребления без нарушения теплового режима зданий. Еще больший эффект от автоматизации может быть получен при технической (тепловой) реконструкции существующих зданий. Срок окупаемости зависит от тепловой мощности систем, функциональных характеристик применяемого регулятора, стоимости ТСА и их обслуживания.

Внедрение автоматизации приносит и косвенный эффект, так как увеличение производительности оборудования, экономия ресурсов эквивалентны строительству добавочных производственных мощностей. Экономия рабочей силы позволяет более рационально использовать трудовые ресурсы, а улучшение качества продукции способствует экономии топлива, энергии, материалов и т.д.

Важнейшие вопросы автоматизации – установление ее рационального уровня и объема, которые должны быть тщательно экономически обоснованы, и определение методов и средств автоматизации. Автоматизация является наиболее экономически выгодным мероприятием и окупается в среднем за 1...1,5 года.

На рис. 44 представлена обобщенная структурная модель автоматизации производственного процесса. Показаны объект автоматизации и технические средства автоматизации, а также основные воздействия в системе: И₁…И₂ – информативные, К – корректирующие, У₁…У₂ – управляющие.

Если в качестве примера принять водогрейный котел для целей теплоснабжения, то сырье будет представлять холодная вода, энергию – газ, а продукцию – горячая вода заданной температуры – теплоноситель.

Для управления процессом приготовления теплоносителя измеряется его температура и преобразуется в информационное воздействие И₁, которое поступает к управляющему устройству. Туда же поступает информация о температуре наружного воздуха И₂. Управляющее устройство на основе полученной информации формирует управляющее воздействие У₁ – изменение подачи газа в топку котла на подогрев воды. Так происходит регулирование температуры теплоносителя.