Politechnika Poznańska
Zakład Ogrzewnictwa, Klimatyzacji
i Ochrony Powietrza
REGULACJA I STEROWANIE
UKA
ADÓW GRZEWCZYCH
dr inż. Andrzej Górka
PODSTAWY
f& Podstawowe pojęcia w automatyce
V Elementy układu regulacji, definicje
V Typy obiektów regulacji, identyfikacja
V Otwarty a zamknięty układ regulacji
V Klasyfikacja układów regulacyjnych
V Stabilność układu regulacji, dobór nastaw
f& Hydraulika instalacji a regulacja
V Regulacja ilościowa a regulacja jakościowa
V Autorytet zaworu a deformacja jego charakterystyki
1
Regulacja
<
<
=
>
obserwacja p działanie
j porównanie
pomiar porównanie nastawienie
Elementy układu regulacji, definicje
2
Typy obiektów regulacji
f& Proporcjonalne
Pj l
f& Inercyjne
V Pierwszego rzędu
V Wyższych rzędów
f& Całkujące
f& Różniczkujące
Podstawowe struktury układów
sterowania
f& Otwarty układ sterowania
f& Zamknięty układ sterowania
3
Otwarty układ sterowania
f& Jednokierunkowy przebieg sygnału
f& Brak sprzężenia zwrotnego
f& Generowanie sygnału sterującego w oparciu
f& Generowanie sygnału sterującego w oparciu
o wartość zadaną i zakłócenia
f& Stosowany w regulacji pogodowej
Zamknięty układ sterowania
zakłócenie
f& Regulacja ze sprzężeniem zwrotnym
f& Generowanie sygnału sterującego w oparciu o
uchyb
f& Dokładniejsza regulacja
f& Dokładniejsza regulacja
f& Stosowany w regulacji z pomieszczeniem
reprezentatywnym
4
Zamknięty a otwarty układ sterowania
zakłócenie
wartość
wartość
zadana
uchyb regulowana
sygnał Obiekt
Regulator
Regulator
sterujÄ…cy
regulacji
wartość regulowana (zmierzona)
Zamknięty układ sterowania
zakłócenie
wartość wartość
Obi kt
zadana sygnał Obiekt regulowana
Regulator
sterujÄ…cy
regulacji
Otwarty układ sterowania
Klasyfikacja regulatorów
f& Według dziedziny zastosowania
ciśnienia, temperatury, ilości, pH, ...
f& Według rodzaju energii pomocniczej
f& Według rodzaju energii pomocniczej
bezpośredniego działania, elektryczne, hydrauliczne,
pneumatyczne
f& Według charakterystyki działania
V o działaniu nieciągłym
dwupołożeniowe (0, 1), trójpołożeniowe (-1, 0, 1),
V o działaniu ciągłym (0..10V, 4..20mA)
f& Według własności dynamicznych
f& Według własności dynamicznych
V proporcjonalne P
V proporcjonalno-całkujące PI
V proporcjonalno-całkująco-różniczkujące PID
5
Własności dynamiczne regulatorów
f& Regulatory proporcjonalne (P)
u k e
u = kp *e
f& Regulatory proporcjonalno-całkujące (PI)
1
u = kp *(e +
+"e*dÄ )
Ti
f& Regulatory proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID)
1 ´e
u = kp *(e +
+"e´Ä + Td ´Ä )
Ti
Cechy regulatorów
f& Współczynnik wzmocnienia
f& Zakres proporcjonalności
f& Histereza
Hi t
6
Dobór nastaw regulatorów,
jakość regulacji
f& Kryteria określania jakości regulacji
f& Dobór nastaw
V Metoda Zieglera-Nicholsa
REGULACJA SYSTEMÓW GRZEWCZYCH
f& Cele regulacji instalacji grzewczej, transport ciepła a
transport informacji
f& Równoważenie hydrauliczne instalacji grzewczych
V Układ idealny
V Małe instalacje (domy jednorodzinne)
V Duże instalacje
" Sposoby równoważenia
" Ograniczniki różnicy ciśnień, przepływu
f& Regulacja wydajności z
ródła ciepła
V Specyfika regulacji obiegów dla c o c w u technologii
V Specyfika regulacji obiegów dla c.o., c.w.u., technologii
V Sterowanie pracą kotłów
V Sterowanie pracÄ… pomp
f& Regulacja projektowa a regulacja eksploatacyjna
7
Przepływ ciepła a przepływ informacji
Dostawa ciepła
BUDYNEK INSTALACJA GRZEWCZA y
RÓDA
O CIEPA
A
Rozwój potrzeb
Duże instalacje  problem równoważenia
hydraulicznego
8
Wymagania
stawiane przez odbiorniki ciepła
f& Różnica ciśnień 10 20kPa (5 30kPa)
f& Różnica ciśnień 10..20kPa (5..30kPa)
f& Sposoby regulacji różnicy ciśnień:
V zawory do automatycznej stabilizacji różnicy
ciśnień pod pionem
V automatyczne ograniczniki przepływu
V stabilizacja różnicy ciśnień na głównych
j y g y
przewodach instalacji
V prowadzenie przewodów w układzie Tichelmanna
Zawór termostatyczny
a nadmierna różnica ciśnień
9
Ograniczniki różnicy ciśnień
Układ Tichelmanna
10
Stabilizacja
hydrauliczna
instalacji
Regulacja małych
podłóg grzejnych
Oventrop
11
Sterowanie kotłowni
Sterowanie obiegów grzewczych dla
różnych typów odbiorców
f& Centralne ogrzewanie
f& Centralne ogrzewanie
Regulacja jakościowa (centralnie) i ilościowa (lokalnie)
V Regulacja z pomieszczeniem reprezentatywnym
V Regulacja pogodowa
V Regulacja małych podłóg grzejnych
f& Ciepła woda użytkowa
V Sposoby realizacji priorytetu c.w.u.
Sposoby realizacji priorytetu c w u
V Zabezpieczenie przed rozwojem bakterii
f& Obiegi dla technologii
12
Regulacja w oparciu o
pomieszczenie reprezentatywne
W odpowiednio wybranym pomieszczeniu instaluje siÄ™
W odpowiednio wybranym pomieszczeniu instaluje siÄ™
termostat pokojowy, który steruje pracą całej
instalacji.
Zastosowanie:
f& budownictwo jednorodzinne
f& budownictwo jednorodzinne
f& ogrzewanie strefowe budynków administracyjnych
Regulacja temperatury zasilania w oparciu o
pomieszczenie reprezentatywne
Czujnik temperatury wewnętrznej
REGULATOR
OGRZEWANE POMIESZCZENIE
instalacja
centralnego ogrzewania
pompa obiegowa
13
Wybór pomieszczenia
reprezentatywnego
f& Pomieszczenie:
f& Pomieszczenie:
V typowe dla budynku
V bez zaworów termostatycznych
V bez przypadkowych zysków ciepła
f& W pozostałych pomieszczeniach można
zamontować zawory termostatyczne
Regulacja pogodowa
f& Regulacja temperatury zasilania w funkcji
temperatury zewnętrznej wg wybranej
jb j
krzywej grzewczej
f& Termostaty grzejnikowe w
pomieszczeniach
f& o s ec e stosowana du yc
f& Powszechnie stoso a a w dużych
systemach
14
Regulacja pogodowa
OGRZEWANE POMIESZCZENIE
REGULATOR
1
instalacja
centralnego ogrzewania
2
CZUJNIKI:
pompa obiegowa
1. Temperatura zewnętrzna
2. Temperatura zasilania instalacji
Określanie krzywej grzewczej
15
Lokalizacja czujnika
f& Czujnik:
f& Czujnik:
V na północnej ścianie budynku
V nie narażony na oddziaływanie zakłóceń
temperatury powietrza
SÅ‚abe strony regulacji pogodowej
tz = f(te)
1. Różne charakterystyki cieplne pomieszczeń
2. Wykorzystanie zysków ciepła
3 Eliminacja przewymiarowania instalacji
3. Eliminacja przewymiarowania instalacji
16
Inne rodzaje regulacji
f& Regulacja mieszana - pogodowa z
f& Regulacja mieszana - pogodowa z
dodatkowym czujnikiem w pomieszczeniu
f& Regulatory z zaprogramowanÄ… temperaturÄ…
zewnętrzną i kalendarzem
Programowanie obniżeń
temperatury wewnętrznej
f& Oddzielnie dla każdego dnia tygodnia
f& Oddzielnie dla każdego dnia tygodnia
f& Obniżenie temperatury o 1°C to ok. 5%
oszczędności energii w sezonie
17
Przygotowanie ciepłej wody
użytkowej (c.w.u.)
f& Duża nierównomierność zapotrzebowania
f& Sposoby gromadzenia zapasu energii cieplnej na
pokrycie szczytowego zapotrzebowania:
V Zbiorniki c.w.u.
V Wykorzystanie pojemności cieplnej budynku  praca
kotłowni z priorytetem c.w.u.
Przygotowanie c.w.u. - sposoby
realizacji priorytetu c.w.u. (a)
przełączenie
zaworu
trójdrogowego
18
Przygotowanie c.w.u. - sposoby
realizacji priorytetu c.w.u. (b)
zatrzymanie
pompy c.o.
Przygotowanie c.w.u. - sposoby
realizacji priorytetu c.w.u. (c)
ograniczenie
i i
mocy obiegu c.o.
poprzez zawór
trójdrogowy
trójdrogowy
19
Przygotowanie c.w.u. - eliminacja
bakterii Legionella
f& Rozmnażanie: 32-42°C
f& Niszczenie: 60-65°C
f& Niebezpieczeństwo poparzenia
Cele technologiczne
f& Temperatura i ilość wody/pary wg
f& Temperatura i ilość wody/pary wg
wytycznych technologii
f& Współpraca z pozostałymi obiegami
20
Regulacja obiegu wody
w z
ródle ciepła - zadania
f& Zabezpieczenie minimalnego p p y
pg przepływu
wody przez kocioł
f& Zabezpieczenie możliwie wysokiej
temperatury wody powrotnej z instalacji
f& Zabezpieczenie możliwie wysokiej
temperatury wody w kotle
Realizacja
REGULATOR
zadań
KOCIOA
INSTALACJA
KOCIOA
INSTALACJA
REGULATOR
KOCIOA
INSTALACJA
21
Regulacja obiegu wody
w z
ródle ciepła  realizacja zadań
f& Pompa mieszajÄ…ca na przewodzie bocznikowym
f& Pompa mieszajÄ…ca na przewodzie bocznikowym
f& Pompa kotłowa i zawór trójdrogowy
f& Zawór czterodrogowy
f& Bez dodatkowych urządzeń  tylko elektronika
f& Kombinacje wyżej wymienionych
Sterowanie pracą kotła (1)
f& Regulacja stałotemperaturowa
f& Regulacja zmiennotemperaturowa
f& Histereza staÅ‚a (ok. 6°C) lub zmienna
Praca palnika kotła
Zał.
Wył.
+"t
+"t
t
wym.
Czas
-"t
Niskie Åšrednie Wysokie
Zapotrzebowanie na ciepło
22
Sterowanie pracą kotła (2)
f& Palniki dwustopniowe (50% i 100%)
f& Palniki dwustopniowe (50% i 100%)
f& Palniki trójstopniowe (30%, 60%, 100%)
f& Palniki modulowane (30% - 100%)
f& Ograniczenie temperatury powrotu
O i i t t t
Sterowanie pracą wielu kotłów
Praca kotłów przy możliwie dużym obciążeniu
II° palnika
KocioÅ‚ 2 I° palnika
Kocioł z palnikiem modulowanym
II° palnika
KocioÅ‚ 1 I° palnika
0 100 200 300 365 0 100 200 300 365
Ilość dni w roku o określonym zapotrzebowaniu na ciepło. Ilość dni w roku o określonym zapotrzebowaniu na ciepło.
23
w
Chwilowe zapotrzebowanie na ciepło
Sterowanie wieloma obiegami
grzewczymi
f& Sterowanie poprzez zawory mieszajÄ…ce
f& Sterowanie poprzez pompy obiegowe
f& Temperatura kotła > Max. temp. obiegu
Wiele obiegów
24
Sterowanie pracÄ… pomp
f& Regulacja dwupołożeniowa lub ciągła
f& Regulacja dwupołożeniowa lub ciągła
f& Sterowanie zewnętrzne, zegarem lub
wewnętrzne
f& Wbudowane programy pracy
V charakterystyka stałowartościowa
V charakterystyka proporcjonalna
charakterystyka proporcjonalna
V wykrywanie osłabień nocnych (Fuzzy Logic)
Charakterystyki pomp
elektronicznych
25
Funkcje zabezpieczające układów
sterowania
f& Maksymalna temperatura kotła
f& Maksymalna temperatura kotła
f& Minimalna temperatura wody powrotnej
f& Minimalny poziom wody w kotle
f& Awaria palnika
f& Wypływ gazu
f& Wypływ gazu
f& Legionella
Optymalizacja parametrów
układów sterowania
f& Regulator z czujnikami ti i te
f& Regulator z czujnikami ti i te
f& Określenie charakterystyk statycznych i
dynamicznych budynku
f& Autoadaptacja
V nachylenie krzywych grzania
V czas wyprzedzenia załączenia ogrzewania
26
Wpływ sterowania na sprawność
f& Straty zwiÄ…zane z rozruchem i zatrzymaniem
f& Straty zwiÄ…zane z rozruchem i zatrzymaniem
kotła
f& Strata kominowa
f& Straty na przewodach
f& Strata przewietrzania
p
f& Maksymalizacja oszczędności przez obniżenie
temperatury w pomieszczeniach
Czynniki wpływające na zużycie energii
27
Regulacja wstępna
a regulacja eksploatacyjna
f& Regulacja wstępna
f& Regulacja wstępna
Równoważenie hydrauliczne instalacji dla parametrów
obliczeniowych, maksymalnej wydajności instalacji. Wykonuje się
jeden raz, przed rozpoczęciem eksploatacji.
f& Regulacja eksploatacyjna
Równoważenie hydrauliczne instalacji dla parametrów
eksploatacyjnych częściowej wydajności instalacji Dokonuje się
eksploatacyjnych, częściowej wydajności instalacji. Dokonuje się
samoczynnie przez cały czas pracy instalacji.
Regulacja wstępna a
regulacja eksploatacyjna
Regulacja wstępna Regulacja eksploatacyjna
Regulacja wstępna Regulacja eksploatacyjna
V nastawy sztywno V nastawy zmienne przez
określone w projekcie cały czas pracy
V dla warunków V zmienne ti, zyski wewn.
obliczeniowych:
+20/-18°C, 1wym./h, 9W/m3
V zmienne te,
nasłonecznienie, wiatr
V dla stanu ustalonego
28
Moc cieplna w ogrzewaniach wodnych
&
Q = C A "tn
Q = C Å" AÅ" "tg
tz + tp
"t = t
"tg = - ti
2
Regulacja jakościowa a
regulacja ilościowa
f& Regulacja wydajności grzejnika lub podłogi grzejnej polega
na zmniejszeniu ich mocy w stosunku do mocy
na zmniejszeniu ich mocy w stosunku do mocy
obliczeniowej.
f& Zmniejszenie mocy można uzyskać poprzez:
V obniżenie temperatury zasilania (reg. jakościowa) lub
V zmniejszenie przepływu wody (reg. ilościowa)
V regulację jakościowo-ilościową (połączenie poprzednich)
f& Każdy rodzaj regulacji prowadzi do obniżenia średniej
temperatury powierzchni grzejnej.
29
Regulacja jakościowo-ilościowa o.p.
Regulacja ogrzewań grzejnikowych a
regulacja ogrzewań płaszczyznowych
f& W ogrzewaniach grzejnikowych sposób
f& W ogrzewaniach grzejnikowych sposób
regulacji jakościowo  ilościowy
f& W ogrzewaniach płaszczyznowych - ???
Problem: duża bezwładność cieplna
30
Duże stałe czasowe
Duże stałe czasowe
Niemożliwe szybkie dostosowanie mocy
Okresowe przegrzewanie pomieszczeń
Spadek sprawności ogrzewania
Nieznaczny wzrost temperatury
powietrza w pomieszczeniu
Samoregulacja
Znaczne zmniejszenie strumienia ciepła z
podłogi grzejnej
Temperatura powierzchni grzejnej
Temperatura powietrza
31
SÅ‚abe strony samoregulacji
1 Oddawanie ciepła: promieniowanie e" konwekcja;
1. Oddawanie ciepła: promieniowanie e" konwekcja;
a samoregulacja wpływa tylko na konwekcję.
2. Efekt samoregulacji jest nietrwały
Wpływ większej bezwładności
ogrzewań płaszczyznowych
f& Stałe inercji: co najmniej kilkadziesiąt minut
f& Stałe inercji: co najmniej kilkadziesiąt minut
f& Samoregulacja działa natychmiast
f& Czas trwania samoregulacji wystarcza, aby
f& Czas trwania samoregulacji wystarcza, aby
zadziałała regulacja termostatyczna
32
Współpraca ogrzewania
podłogowego i grzejników
f& Ogrzewanie podłogowe jako bazowe do
f& Ogrzewanie podłogowe jako bazowe, do
temperatury np. +12 (+16) °C; regulowane tylko
przez centralny regulator jakościowy.
f& Pozostała moc  grzejniki, regulowane przez
zawory termostatyczne
f& Najlepszym sposobem regulacji jest programowana
regulacja jakościowo-ilościowa (pogodowo-pokojowa)
f& Regulacja termostatyczna ma podstawowe znaczenie
w regulacji wydajności ogrzewań podłogowych.
f& Znaczenie regulacji jakościowej jest nieco mniejsze,
niż w przypadku ogrzewania grzejnikami.
f& Samoregulacja może wspomóc układ automatycznej
regulacji, ale nie może go zastąpić.
33
WYBRANE ZAGADNIENIA
f& Niekonwencjonalne z
ródła ciepła  dodatkowe
wymagania
V Kotły kondensacyjne
yyj
V Pompy ciepła
V Kolektory słoneczne
V Kotły na paliwa stałe
f& Zaawansowane systemy monitoringu i sterowania
V Standardy komunikacji regulatorów
V SCADA  zasada działania, rodzaje sygnałów
V Wpływ na sprawność i niezawodność systemu
grzewczego
Możliwości komunikacyjne
regulatorów
f& Współpraca regulatorów
f& Współpraca regulatorów
f& Współpraca z systemem zarządzania
energiÄ… w budynku
f& Komunikacja serwisowa
f& Komunikacja zdalna p modem
jprzez
34
Współpraca regulatorów
www
35
 Zimny powrót
dla kotłów kondensacyjnych
Układ z
kolektorem
słonecznym
słonecznym
36
Zintegrowane,
adaptacyjne
układy regulacyjne
Programowalne głowice
termostatyczne
Honeywell
37
Integracja  regulator bezpośredniego działania
Ogrzewanie i chłodzenie pomieszczeń  jeden regulator
Integracja układu regulacyjnego z
systemem zarzÄ…dzania budynkiem
38
Postęp integracji systemów w budynku
Budynek
Budynek zintegrowany
zintegrowany
g y
Systemy
Zarządzanie budynkiem Zintegrowane usługi komunikacyjne
zintegrowane
Systemy Zabezpieczenia
Automatyka budynku Dane + tekst Mowa Obraz
wielofunkcyjne i kontrola dostępu
Sygnalizacja Instalacja
Systemy Kontrola Ogrzewanie, Wymiana Telefax, Telewizja
włamania, elektryczna, Telefon
dedykowane dostępu klimatyzacja danych teletekst wewnętrzna
pożaru itp. windy
pożaru itp. windy
POSZCZEGÓLNE URZ
DZENIA
Nowe strategie sterowania
f& Analogie człowiek  regulator
f& Analogie człowiek  regulator
f& Zastosowanie sztucznych sieci
neuronowych (Neural Networks)
f& Zastosowanie logiki zbiorów rozmytych
(Fuzzy Logic)
39
Analogie człowiek  regulator
<
<
=
=
>
>
obserwacjaporównanie d i ł i
obserwacjaporównanie d i ł i
bj ói działanie
bj ói działanie
pomiar porównanie nastawienie
pomiar porównanie nastawienie
pomiar porównanie nastawienie
pomiar porównanie nastawienie
Sztuczne sieci neuronowe
f& Regulatory PI PID >> sieci neuronowe
f& Regulatory PI, PID >> sieci neuronowe
40
Trójwarstwowa sieć neuronowa
Logika zbiorów rozmytych
(Fuzzy Logic)
f& Dwuwartościowa logika nie oddaje
f& Dwuwartościowa logika nie oddaje
niejednoznaczności występujących w
rzeczywistości
f& Przynależność elementu do zbioru określa
liczba rzeczywista [0& 1]
f& Zastosowanie w regulatorach prędkości
Å›
pomp i w regulatorach kotłowych
41
Monitoring kotłowni
42
Pracownik obsługi+ Pracownik
przeglÄ…darka W W W na PC
obsługi
wizualizacja
wizualizacja
zdalna
lokalna
https://
Komputer + program systemowy
F
RS 232, USB Ethernet
UrzÄ…dzenia komunikacyjne
E
RS 485
UrzÄ…dzenia zbierania danych
D
RS 485
Przetworniki A/C Przetworniki C/A
C
(0...10V lub 4...20mA)
Przetworniki sygnału Siłowniki, napędy
Przetworniki sygnału Siłowniki, napędy
B
B
siła obrót
R, U
Czujniki pomiarowe Zawory, ...
A
t, p kv, É
UrzÄ…dzenia technologiczne
43
44
Politechnika Poznańska
Zakład Ogrzewnictwa, Klimatyzacji
i Ochrony Powietrza
Dziękuję za uwagę!
dr inż. Andrzej Górka,
[e-mail]
45