Inteligentné akčné členy v systémoch vykurovania

Inteligentné akčné členy v systémoch vykurovania

Ladislav Jurišica, Boris Georgiev

Článok sa zaoberá problematikou akčných členov ako súčasťou funkčne a priestorovo decentralizovaných automatických riadiacich systémov prevádzky budov (ARS-B). V náväznosti na vývoj automatizačnej techniky definuje pojem inteligentný akčný člen a pojednáva o možnostiach jeho aplikácie v rámci štruktúry ARS-B. Je určený najmä pre projektantov automatických riadiacich systémov vykurovania (ARS-V).

1. Úvod

Pri analýze vývoja automatizačnej techniky sa už dlhšiu dobu vo všeobecnosti konštatuje, že komplexná automatizácia riadenia prevádzky budov je jednou z nových aplikačných oblastí automatizácie. Vývoj a nasadzovanie automatizačných prostriedkov tu však z rôznych objektívnych dôvodov sledujú súčasný stav a vývojové trendy priemyselnej automatizácie, najmä v oblasti riadenia spojitých technologických procesov (TP), s určitým oneskorením a s aplikačnými modifikáciami.

V dôsledku ekonomickej globalizácie a následnej koncentrácie výrobcov automatizačných prostriedkov a vývoja tzv. otvorených riadiacich systémov, resp. skutočnosti, že v mnohých priemyselných odvetviach (napr. elektrotechnický, farmaceutický, potravinársky a ľahký priemysel, biotechnológie atď.) sú významnou súčasťou výrobného zariadenia aj budovy, v ktorých sa uskutočňuje podstatná časť výrobných procesov, sa črtá trend integrácie riadiacich systémov technologických procesov a prevádzky budov, vrátane ich projektovania.

Na obr. 1 je technologická dekompozícia technických zariadení budovy (TZB). Vykurovanie je súčasťou systému zásobovania teplom (SZT) a spolu so zariadeniami na vetranie a klimatizáciu zabezpečuje požadovanú vnútornú klímu. Podsystém spotreba, t. j. vykurovanie, je riadený ARS-V.

Postavenie akčného člena (AČ) vo všeobecnej štruktúre regulačného obvodu je zobrazené na obr. 2. Napriek tomu, že teória automatického riadenia na AČ zväčša zabúda, ich správny návrh vo fáze projektu a následná prevádzka majú zásadný vplyv na výslednú kvalitu regulácie.

Obr. 2. (RS – riadený systém, MČ – merací člen, R – regulátor, AČ – akčný člen, y – regulovaná veličina, w – žiadaná hodnota, m – opravná veličina, u – akčná veličina)

Vo vykurovacích systémoch sa používa relatívne malý počet štandardizovaných hydraulických štruktúr a adekvátnych aplikačne špecifických automatizačných prostriedkov. Avšak tlak na zníženie energetickej náročnosti prevádzky budov a zefektívnenie prevádzky a údržby technických zariadení núti investorov a projektantov vo väčšej miere využívať výsledky vývoja v oblasti automatizačných prostriedkov (AP) trvajúceho desaťročia na riadenie spojitých procesov.

2. Vývoj v oblasti ARS-TP

Analýza vývoja AP je obyčajne založená na definovaní niekoľkých základných generácií automatizačných prostriedkov (GAP), charakterizovaných podstatnými kvalitatívnymi zmenami najmä v riešení úloh spracovania a prenosu infomácií, resp. operatívneho riadenia.

Vývoj štruktúr číslicových riadiacich systémov predovšetkým spojitých technologických procesov (riadenie regulačného typu), symbolicky znázornený na obr. 3, sa vyznačuje tromi základnými generačnými zmenami:

• centralizovaný riadiaci systém s riadiacim počítačom (DDC),
• decentralizovaný riadiaci systém (DCS),
• prevádzkový riadiaci systém (FCS).

Z hľadiska realizácie funkcií spracovania dát sa jedná o ich funkčnú a priestorovú decentralizáciu až po ich implementovanie do štruktúry prevádzkových meracích a akčných členov (smart, resp. „inteligentné“ prevádzkové meracie a akčné členy). Na obr. 3 je táto decentralizácia naznačená presunom realizácie funkcie PID regulátora z riadiaceho počítača cez „procesnú stanicu„ až do prevádzkového prístroja.

Z hľadiska prenosu informácií vidieť prechod od lúčovitej štruktúry s jednosmerným prenosom unifikovaných signálov (analógových a binárnych) až po obojsmerný sériový prenos kódovo impulzne modulovaných (číslicových) signálov prostredníctvom prevádzkového zbernicového systému (FBS).

Po úspešne ukončenej etape medzinárodnej štandardizácie prevádzkových zbernicových systémov, ktorá priniesla odpoveď na otázku, ako prenášať dáta medzi AP [1], prebieha v súčasnosti štandardizácia v oblasti vlastností, funkcií prevádzkových prístrojov a ich popisu (profily a funkčné bloky) [2], [3], [4]. Rieši sa teda problém štandardizácie významu prenášaných dát, t. j. otázka, čo prenášať.

Obr. 4. (a – všeobecný akčný člen, b – energetický pohľad na akčný člen: E0 – energia dodávaná do RS, E – vstupná energia, E1 – pomocná energia regulátora, E2 – pomocná energia akčného člena)

Zo štandardov definovaných normou [1] sa v oblasti riadenia spojitých technologických procesov presadili najmä sbernicové systémy Profibus-DP/PA a Foundation Fieldbus. Pre účely konfigurovania, parametrizácie, diagnostiky a pod. sa stabilizovalo použitie protokolu HART (de facto štandard).

Vývoj ARS sa nezastavil. V súčasnosti sú vyvíjané tzv. otvorené riadiacie systémy (OCS), ktoré spojením štandardizovaných prostriedkov pre logické riadenie a riadenie regulačného typu prinášajú zmeny do spôsobu projektovania a programovania aplikačného vybavenia riadiacich systémov. Tieto systémy by mali umožniť hlavne prenositeľnosť aplikačného vybavenia ARS, a teda projektovanie nezávislé od výrobcu AP.

3. Akčné členy

Akčný člen (AČ) je určený k transformácii riadiacieho signálu m z regulátora (opravná veličina) na akčnú veličinu u, ktorá predstavuje parameter toku materiálov alebo energií (obr. 4).

Obr. 5. (R_t – technologický regulátor, M – motor, MZ – mechanická záťaž)

V praxi sa na úlohu riadenia tokov materiálov a energií na úrovni riadeného technologického procesu používajú najmä tieto tri druhy AČ:

• akčný člen s regulačnou armatúrou,
• akčný člen s čerpadlom,
• elektrický výkonový zosilňovač.

V náväznosti na už uvedený vývoj automatizačných prostriedkov na riadenie spojitých technologických procesov je možné definovať inteligentný akčný člen (I-AČ) ako AČ so schopnosťou realizovať funkcie aj spracovania informácií na stabilizáciu riadeného procesu (obr. 5). V jeho štruktúre je implementovaný pôvodný externý technologický regulátor R_t.

Podľa typu použitej mechanickej záťaže (MZ) potom možno hovoriť o I-AČ s regulačnou armatúrou (inteligentná regulačná armatúra), resp. o inteligentnom čerpadle. Indexom i sú v obr. 5 označené bloky konvenčného AČ: R_i je napr. interný regulátor zdvihu regulačného orgánu (korektor).

Nielen pre účely tohto článku je potrebné zaviesť označenie uvedených moderných prístrojov (obr. 6), ktoré by vyjadrovalo ich schopnosť spracovania informácií v číslicovej forme (znak #), ako aj obojsmernej komunikácie po sériovej prevádzkovej zbernici prostredníctvom komunikačného adaptéra (KA).

Obr. 6. (a – inteligentná regulačná armatúra, b – inteligentné čerpadlo)

Popri funkciách spracovania informácií, ktoré priamo súvisia so základnou úlohou AČ v regulačnom obvode, realizuje jeho riadiaca jednotka I-AČ aj ďalšie dôležité funkcie.

Jednou z nich je autodiagnostika, ktorá významne prispieva k zníženiu nákladov na údržbu a opravu AČ. Informácie z AČ sa využívajú na zistenie skutočného stavu zariadenia a na predpovedanie jeho ďalšieho vývoja, čím je možné predísť často zbytočným a finančne náročným demontážam v čase odstávky. Diagnostika teda umožňuje prechod od plánovanej na prediktívnu údržbu.

Zatiaľ nepovšimnutou možnosťou zostáva využitie I-AČ, či už s regulačnou armatúrou alebo čerpadlom na prevádzkové meranie prietoku, resp. pretečeného množstva.

4. Riadiace systémy vykurovania

4.1 Vývojové etapy čerpadiel
Vykurovacie systémy majú na rozdiel od spojitých TP relatívne štandardizovanú technologickú štruktúru, tvorenú zariadeniami s časovými konštantami rádovo desiatky minút, čo nekladie vysoké nároky na dynamické vlastnosti regulačných obvodov (perióda vzorkovania, doba exekúcie riadiaceho programu, doba prestavenia AČ atď.). Obvykle sa nejedná ani o použitie v prostredí s nebezpečenstvom výbuchu, mimoriadne požiadavky na spoľahlivosť a bezpečnosť atď., avšak ich prevádzka je spojená s rozsiahlou legislatívou, ktorá definuje ekologické a ekonomické kritériá prevádzky. Z toho vyplývajú značné rozdiely aj pri projektovaní riadiacich systémov vykurovania.

Týka sa to aj akčných členov. Tu možno konštatovať, že na rozdiel od riadenia spojitých TP sa doteraz nepresadila koncepcia I-AČ s regulačnou armatúrou.

Naproti tomu vývoj v oblasti čerpadiel pre vykurovanie (resp. čerpadlo + elektrický pohon) reagoval na požiadavky znižovania energetickej náročnosti vykurovacích systémov.

Obr. 7. (a – konvenčné, b – regulačné, c – systémové, d – inteligentné; Č – čerpadlo, FM – menič frekvencie, KA – komunikačný adaptér, M – motor, P – porucha, w – žiadaná hodnota Dp, resp. otáčok n)

Zo súčasného pohľadu možno rozlíšiť štyri základné vývojové etapy čerpadiel, ktoré vyjadrujú spôsob ich riadenia, realizáciu funkcie diagnostiky a systémovú prepojiteľnosť na ARS-V (obr. 7).

4.2 Konvenčné čerpadlá
Pre súčasné štandardné (konvenčné) čerpadlá sú charakteristické ovládanie typu zapni/vypni, konštantné otáčky, miestna či diaľková indikácia prevádzky, resp. poruchy, lúčovité pripojenie na ARS-V a prenos binárnych signálov.

Konvenčné čerpadlá sú používané iba ako pasívny prvok na krytie tlakových strát v hydraulickom obvode a dimenzované na maximálny výkon vykurovacieho systému.

4.3 Regulačné čerpadlá
Pre regulačné čerpadlá (čerpadlá s premenlivými otáčkami) sú charakteristické riadenie otáčok (stupňovito, spojito), miestna či diaľková indikácia technologickej veličiny, prevádzky, resp. poruchy, lúčovité pripojenie na ARS-V, prenos analógových a binárnych signálov.

Regulačné čerpadlo s integrovaným meničom frekvencie (spojitá regulácia otáčok) s miestnym, resp. diaľkovým zadávaním žiadanej hodnoty tlakového rozdielu na čerpadle (p) môže pracovať v rôznych režimoch činnosti.

Možnosťou priebežnej optimalizácie pracovného bodu čerpadla a tým prispôsobenia dodávky tepla aktuálnej potrebe sa čerpadlo stáva skutočným akčným členom regulačného obvodu vykurovania. Okrem úspory tepelnej energie sa šetrí aj elektrická energia a tým náklady na prevádzku čerpadla. Ďalšie zníženie spotreby elektrickej energie sa dosahuje aj novou elektromechanickou konštrukciou motorov (napr. synchrónny motor s permanentnými magnetmi).

Miera energetickej náročnosti samotných regulačných čerpadiel (spotreba elektrickej energie) a znižovanie ich celkových prevádzkových nákladov (LCC) dlhý čas zostávali na okraji záujmu.

4.4 Systémové čerpadlá
Funkcie systémových (zbernicovo pripojiteľných) čerpadiel sú oproti regulačným čerpadlám rozšírené o schopnosť komunikácie prostredníctvom digitálneho zbernicového systému napr. s inými čerpadlami (horizontálne) alebo s ARS-V, resp. nadradeným riadiacim systémom budovy (vertikálne).

Ich použitie prináša nielen zníženie investičných nákladov na kábeláž, ale aj na projektovanie, inštalovanie, uvedenie do prevádzky, údržbu a servis. Tieto úspory sa prejavia najmä u systémov s väčším počtom čerpadiel.

Na rozdiel od už spomínaných medzinárodných komunikačných štandardov používaných v ARS-TP sa v oblasti TZB presadili de facto štandardy ako napr. Local Operating Network (LON), a to predovšetkým z dôvodu špecifických vlastností systémov TZB.

Systémové čerpadlá sa na príslušnú zbernicu pripájajú pomocou komunikačných adaptérov (KA). V súčasnosti sú na trhu dostupné iba KA pre zbernicový systém LON, ktoré podporujú profil pre čerpadlá so spojitou reguláciou otáčok (Pump Controller Functional Profile) [5], [6]. Pripojiť konvenčné a regulačné čerpadlá na konkrétny zbernicový systém je možné s využitím firemne špecifických riešení ich výrobcov.

4.5 Inteligentné čerpadlá
V zhode se súčasným vývojom v oblasti ARS-TP možno definovať inteligentné čerpadlo ako čerpadlo so schopnosťou realizovať funkcie spracovania informácií na stabilizáciu riadeného procesu (napr. regulácia teploty), ako aj ďalšie funkcie (napr. výpočet spotreby elektrickej energie, počítanie prevádzkových hodín, diagnostika atď.) zbernicovo prepojiteľné s ARS-V.

Prirodzeným dôsledkom vývoja čerpadiel pre vykurovanie je reálna predstava o plnej náhrade funkcie regulačnej armatúry inteligentným čerpadlom (štúdia ARC [7]).

Príklad použitia inteligentného čerpadla v štruktúre prevádzkového riadiaceho systému vykurovania je na obr. 8. Z dôvodu prehľadnosti sú vynechané niektoré dôležité komponenty hydraulických obvodov.

Hydraulická štruktúra predstavuje jednoduchý vykurovací systém s nepriamym pripojením na centrálny zdroj tepla. Cieľom je ekvitermická regulácia teploty na sekundárnej strane (RS_B) s predreguláciou prostredníctvom tepelného výmenníka (R_SA) v závislosti od okamžitej potreby tepla.

Jednoduché regulačné obvody sú zostavené zo štandardizovaných funkčných blokov: analógový vstup (AI), PID regulátor a analógový výstup (AO). Tieto sú implementované v inteligentných meracích a akčných členoch, s možnosťou voľby lokalizácie funkcie regulátora. Koncept FCS umožňuje aj bezproblémovú flexibilnú zmenu, resp. rozšírenie riadiaceho algoritmu.

5. Záver

Problematika inteligentných čerpadiel je dôležitou témou, ktorej je potrebné venovať aj naďalej primeranú pozornosť. A to nielen po technickej, ale aj po terminologickej stránke. Na rozdiel od relatívne jasného vymedzenia pojmu „umelá inteligencia„ z pohľadu kybernetiky sa v technickej praxi (nevynímajúc oblasť TZB) možno čoraz častejšie stretnúť s jeho zneužívaním na marketingové účely.

prof. Ing. Ladislav Jurišica, PhD.
(juris@elf.stuba.sk),
Ing. Boris Georgiev
(georgiev@kar.elf.stuba.sk),
Fakulta elektrotechniky a informatiky STU, Bratislava