Изобретение относится к области автоматического цифрового регулирования и может быть использовано для управления системами отопления для увеличения точности поддержания заданной температуры в помещении и снижения затрат энергетических ресурсов. Сферами применения изобретения могут быть энергетика, жилищная сфера и промышленность, так как его использование возможно в работе теплоснабжающих организаций и коммунальных управляющих компаний, промышленных организаций и в отоплении зданий частного сектора.
Известна система автоматического регулирования отопления здания с программируемым логическим контроллером, которая включает в себя датчики температуры воздуха и программируемый логический контроллер. Система работает на основе логической последовательности управления. Она начинается с приема входных сигналов, указывающих текущее время суток и дату. Данный сигнал подается на блок логики, где формируется сигнал Tввзд. Далее сигнал подается на сумматор, где складывается с инвертированным значением сигнала температуры в помещении. Когда температура наружного воздуха падает, значение комбинированного сигнала на конечном сумматоре повышается, вызывая процесс усиления перед добавлением к заданной температуре в помещении. Результирующий сигнал направляет открытие регулирующей задвижки, увеличивая поток тепла в здание. В качестве альтернативы, в определенных конфигурациях, дополнительный сигнал инициирует открытие регулирующей задвижки подачи топлива в котел. Логика управления устройства включает в себя комбинацию сигналов, усиление и обработку сигналов для поддержания комфорта в помещении и оптимизации энергоэффективности в ответ на изменения окружающей среды (см. патент РФ №109583 U1, МПК G05D 23/00; опубл. 20.10.2011).
Основным преимуществом известного решения является индивидуальная настройка изменения температуры внутри помещения в ответ на изменения окружающей среды.
Основными недостатками известного решения является отсутствие регулирования давления и подачи теплоносителя в контуре, а также отсутствие датчиков температуры наружного воздуха, что увеличивает инерционную составляющую в процессе регулирования.
Также известен центральный пульт управления системой поддержания теплового режима. Он может последовательно получать данные о текущих и постоянных температурных параметрах от каждого контроллера-индикатора и отображать эту информацию в буквенно-цифровом формате на алфавитно-цифровом индикаторе. Кроме того, он может корректировать параметры постоянной температуры, а также при необходимости инициировать общее отключение всех контроллеров-индикаторов температуры вместе с подключенными к ним нагревателями за счет блока приемо-передачи информации. Он предназначен для управления отоплением в жилых и производственных зданиях и обеспечивает автоматический контроль и управление электронагревательными устройствами (см. патент РФ №19183 U1, МПК G05B 15/00; H02B 15/00, опубл. 10.08.2001).
Основным преимуществом известного решения является корректировка температуры центральным процессорным устройством.
Основными недостатками известного решения является ориентированность на применение с автономными нагревательными элементами, без возможности интеграции в централизованную теплоснабжающую сеть, отсутствие регулирования давления и подачи теплоносителя в контуре, отсутствие контроля температуры внутри помещения.
Проанализированные решения включают системы управления отоплением, управляющие алгоритмы и аппаратные программируемые логические контроллеры, центральные панели управления, которые обеспечивают регулирование систем отопления. К общим недостаткам данных решений относятся отсутствие регулирования давления в контуре отопления, отсутствие датчиков температуры наружного воздуха, влияющих на точность и быстродействие. Использование механизмов регулирования давления могло бы оптимизировать эффективность и производительность системы. Применение дополнительных датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха может повысить точность и скорость адаптации к изменениям окружающей среды, уменьшая инерционные компоненты в процессах управления.
Известен блок регулирования температуры системы отопления в зданиях NEUROBAT с использованием искусственных нейронных сетей, принятый за прототип. Контроллер использует данные с датчиков для моделирования прогнозирования предполагаемой температуры. Блок управления отоплением для здания отвечает за работу отопительной системы, которая включает в себя котел для подачи тепла, обменники тепла, циркуляционный контур для передачи теплоносителя, смесительную задвижку, радиаторы для отопления помещений, а также обратный контур для возвращения остывшего теплоносителя. Используются датчики температуры внешней среды, температуры в помещении и в контуре, а также датчики солнечной радиации для построения прогнозирующих моделей. Используется три однослойных нейронных сети для прогнозирования показаний температуры внутри и снаружи здания и солнечной радиации. Возможность сопряжения нейросетей и контура обеспечивается через каскадный контур управления. При отсутствии солнечного освещения (в ночное время суток) дублируются показания за последние дневные часы (см. патент EP № 0 980 034 B1, G05D 23/19; F24F 11/00, опубл. 30.06.2004).
Принцип работы известного изобретения заключается в измерении сигналов температуры окружающего воздуха, солнечной радиации и температуры воздуха внутри помещения с последующей оцифровкой данных показаний и построением прогноза на изменение анализируемых параметров за счет применения трех однослойных нейронных сетей с целью расчета и поддержания температуры теплоносителя при помощи каскадного контура управления.
Основным преимуществом известного решения является оптимизация энергопотребления с помощью нейронных сетей.
Основными недостатками известного решения являются отсутствие частотного регулирования насоса для регулирования давления и подачи теплоносителя, также имеется вероятность погрешности прогноза, которая возрастает по мере увеличения прогнозируемого временного интервала, а также возможность получения дополнительной погрешности за счет использования датчика солнечной радиации для уточнения температуры наружного воздуха.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности регулирования температуры воздуха в помещении в зависимости от условий окружающей среды и особенностей отапливаемых помещений, что снижает энергетические затраты.
Технический результат достигается тем, что устройство управления одноконтурной зависимой системой отопления, включающее датчики температуры окружающей среды, датчики температуры в помещении и датчики температуры теплоносителя, устанавливаемые в прямом и обратном трубопроводах, каскадный регулятор, отличается тем, что датчики температуры окружающей среды установлены на всех фасадах здания, устройство дополнительно снабжено датчиками давления, установленными в прямом и обратном трубопроводах, каскадный регулятор выполнен в виде ведущего и ведомого пропорционально-интегрально-дифференциальных (ПИД) регуляторов, устройство также снабжено блоком сравнения, блоком нейросетевого настройщика, блоком независимого пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, двумя блоками усреднения, четырьмя блоками сумматоров, блоком вычислителя корректирующего воздействия, блоком контроля ограничений, при этом выходы датчиков температуры окружающего воздуха соединены с входами первого блока усреднения, выход которого подключен к входу блока сравнения, выход которого подключен к первому входу блока первого сумматора, выходы датчиков температуры воздуха внутри помещений подключены к входам второго блока усреднения, выход которого подключен к первому входу блока второго сумматора, выход которого подключен к входу ведущего ПИД-регулятора, выход которого соединен с входом блока вычислителя корректирующего воздействия, выход которого соединен со вторым входом блока первого сумматора, выход которого подключен к входу блока ведомого ПИД-регулятора, выход которого соединен с первым входом блока контроля ограничений, выход датчика давления в прямом трубопроводе подключен к входу блока четвертого сумматора, а выход датчика температуры теплоносителя в обратном трубопроводе к входу блока третьего сумматора, выходы которых соединены с входом блока независимого ПИД-регулятора переменной структуры, выход которого подключен ко второму входу блока контроля ограничений, три выхода которого подключены к исполнительным механизмам, включающим смесительную задвижку, частотный преобразователь, пакет электромагнитных контакторов, а четвертый соединен с настроечным входом блока независимого ПИД-регулятора переменной структуры, первый выход блока нейросетевого настройщика подключен к настроечному входу блока ведущего ПИД-регулятора, а второй выход к настроечному входу блока ведомого ПИД-регулятора.
На фигуре 1 приведена блочная схема предлагаемого устройства. На фиг 1 изображены: блок 1- блок усреднения показаний с датчиков температуры окружающей среды, блок 2 - блок сравнения, блок 3 - блок первого сумматора, 4 - блок усреднения показаний с датчиков температуры в помещении, блок 5 - блок второго сумматора, блок 6 - блок ведущего ПИД-регулятора, блок 7 - блок вычислителя, блок 8 - блок нейросетевого настройщика, блок 9 - блок ведомого ПИД-регулятора, блок 10 - блок третьего сумматора, блок 11 - блок четвертого сумматора, блок 12 - блок независимого ПИД-регулятора переменной структуры, блок 13 - блок контроля ограничений.
На фигуре 2 приведена схема системы отопления здания, для которой возможно применение разработанного устройства. Зависимая схема подключения получает теплоноситель напрямую из теплоснабжающей сети. Блоками представлены: блок 14 - датчик давления обратной воды, блок 15 - датчик давления в прямом трубопроводе на выходе из насоса, блок 16 - датчики температуры в помещениях, блок 17 - предлагаемое устройство управления, осуществляющее функцию регулятора, блок 18 - пакет электромагнитных контакторов, блок 19 и 20 - основной и резервный циркуляционные насосы, блок 21 - теплоснабжающая сеть, блок 22 - датчик для измерения давления на входе в контур отопления, блок 23 - трехходовая смесительная задвижка, блоки 24, 25 - запорные задвижки, которые при необходимости могут заменить блок 23, блок 26 - датчик температуры теплоносителя в прямом трубопроводе контура, блок 27 - преобразователь частоты, блок 28 - датчик давления на входе насоса, блок 29 - датчики температуры наружного воздуха, блок 30 - датчик температуры обратной воды.
Сначала устройство получает данные от набора датчиков, Тн - данные с внешних датчиков 29 снаружи здания. Эти датчики предоставляют информацию, используемую для получения на блоке 1 усредненного значения Tнср с учетом значимости влияния каждого датчика. Затем выполняется табличный поиск на блоке 2, результатом которого является определение T'1 - определенная в таблице требуемая температура теплоносителя. Текущая усредненная температура, обозначаемая как Tпомср, вычисляется на блоке 4 с использованием показаний датчиков в помещениях (Тпом) - от блока 16 с учетом их соответствующих влияний.
После получения этих значений осуществляют переход к каскадной схеме, состоящей из двух блоков ПИД-регуляторов. Коэффициенты регулирования для блоков ПИД-регуляторов подбирает заранее обученная нейронная сеть, представленная блоком 8, принимающая на вход все основные параметры, вычисляемые в регулирующей схеме. Блок 6 получает усредненное значение с датчиков температуры и требуемую температуру в помещении - Туст. На основе Tпомср и Туст блок 6 осуществляет вычисление выходного значения U1, которое поступает в блок 7. Блок 7 преобразует значение U1 к параметру T'кор, выдавая коррекцию на блок 9.
Блок 9 на основе входа T1 с датчика в трубопроводе и T'1 c учетом коррекции T'кор, вычисляет управляющее значение U.
Для контроля ограничений параметров регулирования, конфигурации режима работы регулятора переменной структуры и сигнализации об ошибках работы системы, происходит оценка регулирующих воздействий U и U2 в блоке 13. На основании управляющего воздействия U с блока 9 в блоке 13 формируется результирующее управляющее воздействие Uф, которое влияет на задвижку (выполненную в виде трехходовой задвижки 23 или в виде пары синхронизированных задвижек 24 и 25). На основании показаний с датчиков давления в прямом трубопроводе и температуры теплоносителя в обратном, блок 12 вычисляет сигнал U2, из которого формируется результирующее управляющее воздействие Uф2 на основе группы логических ограничений блока 13, которое управляет преобразователем частоты 18. В случае необходимости выйти за пределы производительности насоса 19, формирует переключающий сигнал Uсм, который также формируется из управляющего воздействия U2 на основе группы логических ограничений блока 13, в результате чего осуществляет подключение резервного насоса 20. Так же формирует сигнал Up, который определяет структуру работы блока 12 по принципу обратной связи.
Применение предлагаемого устройства позволит обеспечить более точное поддержание требуемой температуры внутри помещений с учетом рекомендуемого температурного графика и коррекции с датчиков обратной связи внутри помещений, что будет способствовать снижению затрат энергетических ресурсов в существующих и вводимых в эксплуатацию систем отопления, при этом не требуется применения дополнительных регулирующих механизмов в контуре отопления.
Изобретение относится к области автоматического цифрового регулирования и может быть использовано для управления системами отопления. Техническим результатом является улучшение точности регулирования температуры воздуха в помещении в зависимости от условий окружающей среды и особенностей отапливаемых помещений, что приводит к снижению энергетических затрат. Сущность изобретения в том, что устройство осуществляет поддержание требуемой температуры, давления и подачи теплоносителя в системе отопления путем регулирования степени открытия питающей задвижки и управления интенсивностью работы циркуляционного насоса, по показаниям от нескольких датчиков температуры наружного воздуха и нескольких датчиков температуры в помещении. При этом, чтобы снизить температуру воды в отопительном контуре, задвижка ограничивает подачу теплоносителя, в то время как циркуляционный насос запускается для поддержания необходимого давления в системе отопления. Устройство включает каскад пропорционально-интегрально-дифференциальных регуляторов температуры теплоносителя, независимый пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор давления переменной структуры, блок вычислителя, блок контроля ограничений и блок нейросетевого настройщика. 2 ил.
Устройство управления одноконтурной зависимой системой отопления, включающее датчики температуры окружающей среды, датчики температуры в помещении и датчики температуры теплоносителя, устанавливаемые в прямом и обратном трубопроводах, каскадный регулятор, отличающееся тем, что датчики температуры окружающей среды установлены на всех фасадах здания, устройство дополнительно снабжено датчиками давления, установленными в прямом и обратном трубопроводах, каскадный регулятор выполнен в виде ведущего и ведомого пропорционально-интегрально-дифференциальных (ПИД) регуляторов, устройство также снабжено блоком сравнения, блоком нейросетевого настройщика, блоком независимого пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, двумя блоками усреднения, четырьмя блоками сумматоров, блоком вычислителя корректирующего воздействия, блоком контроля ограничений, при этом выходы датчиков температуры окружающего воздуха соединены с входами первого блока усреднения, выход которого подключен к входу блока сравнения, выход которого подключен к первому входу блока первого сумматора, выходы датчиков температуры воздуха внутри помещений подключены к входам второго блока усреднения, выход которого подключен к первому входу блока второго сумматора, выход которого подключен к входу ведущего ПИД-регулятора, выход которого соединен с входом блока вычислителя корректирующего воздействия, выход которого соединен со вторым входом блока первого сумматора, выход которого подключен к входу блока ведомого ПИД-регулятора, выход которого соединен с первым входом блока контроля ограничений, выход датчика давления в прямом трубопроводе подключен к входу блока четвертого сумматора, а выход датчика температуры теплоносителя в обратном трубопроводе - к входу блока третьего сумматора, выходы которых соединены с входом блока независимого ПИД-регулятора переменной структуры, выход которого подключен ко второму входу блока контроля ограничений, три выхода которого подключены к исполнительным механизмам, включающим смесительную задвижку, частотный преобразователь, пакет электромагнитных контакторов, а четвертый соединен с настроечным входом блока независимого ПИД-регулятора переменной структуры, первый выход блока нейросетевого настройщика подключен к настроечному входу блока ведущего ПИД-регулятора, а второй выход к настроечному входу блока ведомого ПИД-регулятора.
