Podstawy komputerowych systemw sterowania

4 RK

Budowa rozproszonego systemu modelowania i sterowania instalacj CO na przykadzie dystrybucji

ciepa w budynkach AGH

Laboratorium

Krzysztof Koek

Plan laboratorium

1. INSTALACJA CO W KAMPUSIE AGH .......................................................................... 2 2. MODELE MATEMATYCZNE FRAGMENTW INSTALACJI ................................. 3

MODEL WYMIENNIKA CIEPA .................................................................................................. 3 MODEL KALORYFERW ........................................................................................................... 3 MODEL BUDYNKU ................................................................................................................... 3

3. CEL LABORATORIUM. PODZIA ZADA ................................................................. 4 4. RODOWISKO LABORATORYJNE .............................................................................. 6

1. Instalacja CO w kampusie AGH

Instalacja CO w budynkach AGH (Rys.1.) zasilana jest z miejskiej sieci grzewczej. Strumie ogrzanej wody Fzm sterowany jest za pomoc zaworu sygnaem Um w sposb cigy od stanu zatkania do maksymalnego przepywu wynoszcego okoo 80t/h. Temperatura wody zasilajcej Tzm zalena jest od temperatury zewntrznej To i zmienia si zgodnie z formu:

][)6(*5.270 CTT ozm = (1)

Przy czym minimalna warto Tm wynosi 70C, a maksymalna 135C. Dodatkowo, ze wzgldu na odlego od elektrociepowni, zmiany Tm opnione s o okoo 8 godzin w stosunku do zmian temperatury.

Rys.1. Schemat instalacji CO w kampusie AGH

Woda w sieci miejskiej ogrzewa w wymienniku ciepa wod krc w instalacji CO w budynkach AGH. Maksymalna wydajno pom cyrkulacyjnych Fcomax wynosi okoo 300t/h. Temperatura wody wypywajcej z wymiennika powinna mie warto:

][*75.155 CTT ozco = (2)

Zadaniem sterownika wymmiennlian jest taka zmiana sygnau Um, aby niezalenie od temperatury wody powrotnej Tpco, temperatura Tzco zmieniaa si zgodnie z formu (2).

Woda cyrkulacyjna zasila kaloryfery w budynkach AGH. Kady budynek ma przydzielony maksymalny dopuszczalny pobr cyrkulujcej wody. Kady z budynkw posiada inn urednion temperatur kaloryferw Th, urednion temperatur pomieszcze Tr oraz temperatur powrotn Tpcob. Zadaniem regulatora budynku test takie sterowanie zaworem Ub aby utrzyma temperatur pomieszcze na zadanym poziomie. Poziom temperatury pomieszcze to okoo 20rC w dni robocze w godzinach 700 2200. Poza tymi godzinami, oraz w dni wolne temperatura pomieszcze moe zosta obniona (np. do 15rC).

Strumienie powrotne z poszczeglnych budynkw, kady o innej temperaturze Tpcob, mieszaj si tworzc strumie powrotny do wymiennika o temperaturze Tpco.

2. Modele matematyczne fragmentw instalacji

Modelowanie systemu grzewczego sprowadza si do zamodelowania wymiennika, instalacji kaloryferw oraz modelu termicznego budynkw.

Przedstawione modele maj uproszczony charakter i obrazuj wycznie podstawowe jakociowe cechy obiektw. Przykadowo, w celu uproszczenia oblicze, zrezygnowano z modelowania wymiennika za pomoc rwna czstkowych, sugerujc wykorzystanie dla potrzeb laboratorium modelu o skupionych parametrach.

Model wymiennika ciepa

Wymiennik ciepa opisany jest za pomoc nastpujcych rwna:

)()( ZCOPMwPMZMwZMPMwymM TTkTTcFdtdT

cM = (3)

)()( ZCOPMwPCOZCOwZCOZCOwymCO TTkTTcFdtdT

cM += (4)

gdzie: MM, MCO masy zastpcze wymiennika po stronie pierwotnej i wtrnej; warto

okoo 3000kg cwym zastpcze ciepo waciwe wymiennika; warto okoo 2700 J/kg/K gsto wody; warto 1000 kg/m3 cw ciepo waciwe wody; warto okoo 4200 J/kg/K kw wspczynnik przenikania ciepa; warto okoo 125000 J/s/K.

Model kaloryferw

Wszystkie kaloryfery w budynku rozpatrywane s jako pojedynczy uredniony kaloryfer opisany rwnaniem:

)()( rhhPCOZCOwCOBhhh TTkTTcFdtdT

cm = (5)

gdzie: mh masy zastpcze wszystkich kaloryferw; warto okoo 3000kg ch zastpcze ciepo waciwe kaloryferw; warto okoo 2700 J/kg/K kh wspczynnik przenikania ciepa kaloryfer-pokj; warto 12000 J/K/s

Model budynku

Model termiczny budynku, z uwzgldnieniem wycznie znajdujcego si w budynku powietrza, mona opisa poniszym rwnaniem:

)()( Orextrhhrbb TTkTTkdtdT

cm = (6)

gdzie: mb masa powietrza w budynku; warto okoo 20000kg cb ciepo waciwe powietrza; warto okoo 1000 J/kg/K kext wspczynnik utraty ciepa; warto 35000 J/K/s

3. Cel laboratorium. Podzia zada

Celem laboratorium jest utworzenie wielostanowiskowego, sieciowego systemu modelujcego instalacj CO budynkw AGH, realizujcego sterowanie wymiennikiem wza cieplnego oraz sterowanie temperatur w budynkach. Dodatkowo realizowane bd zadania logowania historii eksperymentu oraz graficznego prezentowania stanu systemu. Liczba stanowisk uzaleniona jest od liczby studentw (kada osoba indywidualnie realizuje okrelone zadanie).

Planowane s nastpujce zadania.

1. Koordynator. Realizuje koordynacj midzy czonkami grupy laboratoryjnej w celu uzgodnienia szczegw wymiany informacji. Podstawowym zadaniem koordynatora Odpowiada za skompletowanie dokumentacji projektu (dokumentacje czstkowe dostarczaj wszyscy czonkowie grupy).

2. Symulator upywajcego czasu. Ze wzgldu na dugie stae czasowe modelowanych obiektw oraz prac w trybie symulacyjnym na wielu komputerach niezbdne jest posiadanie rda okrelajcego wsplny czas symulacyjny dla wszystkich stanowisk. Upyw czasu dla potrzeb symulacji bdzie szybszy w stosunku do czasu astronomicznego. Celem zadania jest zaimplementowanie serwera SNTP/NTP (Simple Network Time Protocol / Network Time Protocol) stanowicego wzorzec czasu dla wszystkich stanowisk. Udostpnione zostan biblioteki umoliwiajce odczyt stempli czasowych.

3. Symulacja dostawcy energii cieplnej oraz temperatury zewntrznej. Symulator pracy zakadu elektrociepowniczego. W zalenoci od zmian temperatury zewntrznej bdzie symulowa zmiany temperatury TZM. Zaplanowa symulator awarii. Udostpni wartoci TZM oraz TO w rodowisku sieciowym.

4. Symulacyjny model wymiennika. Utworzy symulator wymiennika ciepa. Informacje o wartoci TZM , FZM oraz TO uzyskiwa sieciowo od symulatora dostawcy energii cieplnej. Udostpni sieciowo informacje o stanie wymiennika.

5. Regulator wymiennika. Zrealizowa regulator stabilizujcy temperatur TZCO (zgodnie z formu (2)) poprzez sterowanie UM. Odczytywa z symulatorw budynkw wartoci FCOB oraz TPCOB. Udostpni sieciowo informacje o pracujcym regulatorze.

6. Modele symulacyjne oraz regulatory budynkw. W odrnieniu od pozostaych zada to realizowane jest wielokrotnie, cho niezalenie, przez kilku studentw. Kady budynek opisany jest innymi parametrami (dotyczy parametrw kaloryferw i budynkw).

7. Logowanie danych o historii eksperymentu. Zaimplementowa odczyty i logowanie danych o pracy systemu.

8. Wizualizacja stanu eksperymentu z poziomu jzyka C. Utworzy w jzyku C/C++ graficzne ekrany synoptyczne prezentujce prac systemu.

9. Wizualizacja stanu eksperymentu poprzez serwer http. Udostpni informacj o pracy systemu w przegldarkach internetowych. Zaimplementowa prosty serwer http oraz utworzy odpowiednie strony obrazujce stan pracy obiektu.

10. Dla chtnych. Opracowa zadania z punktu 8 ale w sposb umoliwiajcy wywietlanie informacji na telefonie komrkowym.

Komunikacja midzy stanowiskami w celu wymiany danych procesowych moe by realizowana za pomoc protokou Modbus TCP. Moliwe jest rwnie zastosowanie wasnego dedykowanego protokou. Udostpnienie danych innych czonkom grupy oznacza konieczno implementacji serwera Modbus TCP lub serwera protokou uzgodnionego z pozostaymi czonkami grupy. Realizacja odczytu danych wymaga wycznie funkcjonalnoci klienta.

4. rodowisko laboratoryjne

rodowiskiem realizacji zada bdzie Microsoft Visual Studio 2008.