Микропроцессорные контроллеры для систем вентиляции и кондиционирования.

Гордиенко А.С., к.т.н.,

Сидельник А.Б., инж.,

Цибульник А.А., инж. ООО «ИВИК»

Современные системы автоматического управления (САУ) в качестве средств управления используют, как правило, электронные цифровые устройства – управляющие контроллеры, выполненные на базе микропроцессоров (МК). Управляющие контроллеры позволяют комплексно решать следующие функции управления и регулирования:

• предикативное адаптивное управление заблаговременным пуском и остановом системы, с целью обеспечения вывода регулируемых параметров на заданный уровень точно к моменту начала работы системы в соответствии с расписанием и экономии энергоресурсов;
• точное поддержание регулируемых параметров на заданном уровне с помощью самонастраивающихся программных пропорционально – интегральных регуляторов;
• контроль работоспособности элементов системы без использования специальных датчиков (по косвенным признакам) и интеллектуальная защита от повреждения, с фильтрацией ложных срабатываний и сохранением (по возможности) работоспособности системы в неполнофункциональном режиме;
• контроль исправности подключенных датчиков, с сохранением, в случае неисправности датчика, работоспособности системы путём перехода на запасной алгоритм регулирования параметра по косвенным признакам;
• объединение контроллеров в единые сети управления инженерным оборудованием, с целью обеспечения централизованного (удаленного) мониторинга и управления, а также выполнения распределённых (по нескольким контроллерам) задач управления.

При использовании МК в большинстве случаев исключается необходимость применения таких элементов автоматики, как логические блоки на основе реле, аналоговые вычислительные и преобразовательные устройства, переключатели, счетчики, таймеры, индикаторы, измерительные приборы и т. п. Это в свою очередь позволяет:

• оптимизировать управление элементами системы и, соответственно, экономичность, за счёт применения более сложных управляющих алгоритмов;
• повысить точность поддержания регулируемых параметров и надежность работы системы;
• уменьшить габариты и потребляемую мощность средств управления;
• упростить монтаж и сократить сроки его выполнения;
• облегчить диагностику, упростить наладку и эксплуатацию системы.

Указанная тенденция характерна и для автоматизации систем кондиционирования и вентиляции (СКВ). Здесь, кроме традиционных и наиболее распространенных средств САУ – датчиков – реле, термостатов, аналоговых одно- и многоканальных регуляторов, все большее применение находят МК.

Иерархия микропроцессорных контроллеров (МК) в системах автоматизации СКВ показана на рис.1.

Сетевые и межсетевые контроллеры являются специализированными МК и используются главным образом на уровне АСУ. Доля таких контроллеров, как в количественном, так и в объемном выражении пока не велика.

У сетевых контроллеров нет входных устройств (например, для подачи сигнала от сенсора) или выходных устройств (например, для подачи сигнала на клапан). Они снабжены только устройствами подсоединения к сети и размещаются в объединенной или в магистральной сети и намного реже в локальной сети. Межсетевые контроллеры («маршрутизаторы») служат для внутреннего соединения и обмена сообщениями между отдельно взятыми сетями и соединяется с другими контроллерами локальной сети или интеллектуальными (оснащенными микропроцессорами) датчиками или исполнительными механизмами.

Рис.1. Иерархия микропроцессорных контроллеров (МК) в системах автоматизации СКВ.

МК автономных СКВ предназначены для управления руфтопами, чиллерами, многозональными кондиционерами или воздухообрабатывающими агрегатами полностью заводской поставки. Они могут работать автономно (без подсоединения в сеть) или быть подсоединенными в сеть с другими контроллерами в различных частях здания. Такие МК, как правило, поставляются уже смонтированными в технологическое оборудование. Поэтому, основными контроллерами, представленными на украинском рынке, являются системные и зональные МК. Это связано, во-первых, с наличием большого количества модульных систем вентиляции и центральных кондиционеров, как по ассортименту, так и по стоимости. С другой стороны, многие компании инсталляторы таких систем сами комплектуют системы автоматики от максимально простых до SCADA – систем [1] . Поэтому эти два вида МК (системные и зональные) представляют наибольший интерес и более подробно рассмотрены ниже. При этом в настоящий обзор включены не общепромышленные МК, а контроллеры фирм, специализирующих на выпуске средств автоматики для СКВ. Это широко известные зарубежные фирмы (Carel, Regin, TAC, Siemens, Honeywell и др.), а также отечественная фирма РАУТ – автоматик.

Зональные МК обычно устанавливаются на простые системы управления прямоточной вентиляцией, отдельные модули более сложных систем, комнатные вентиляторные доводчики (фанкойлы), и обслуживают только одну зону. Принято считать, что зональные МК имеют меньше чем 8 входов и 8 выходов, хотя такое деление – условно. Более правильным на наш взгляд будет отнесение к зональным контроллеров, имеющих число аналоговых (или ШИМ) выходов не превышающее трех и обеспечивающих качественное регулирование за счет возможности реализации ПИ или ПИД- законов.

В табл.1 приведены технические характеристики наиболее известных зональных микропроцессорных контроллеров. Все представленные модели МК являются жестко запрограммированными. В этих контроллерах стандартные функции управления заложены (запрограммированы) изготовителем с жесткой привязкой к технологической схеме обработки воздуха.

Конфигурация таких контроллеров в части активизации предусмотренных функций управления или настройки параметров регулирования осуществляется с помощью встроенной панели управления с светодиодным (обычно цифровым), либо ЖК (обычно алфавитно-цифровым) дисплеем.

Что касается конфигурирования жестко программируемых контроллеров в части их привязки к технологической схеме обработки воздуха , то здесь возможны следующие варианты:

• работа контроллера только по одной технологической схеме (например, Аркон-2 (РАУТ- автоматик));
• «монтажная» конфигурация – изменение схем подсоединений для различных технологических схем (например, Аэроклим 4-av (РАУТ - автоматик), рис.2);
• расширенная модификация марки контроллера (например, R7426 А, В, С ( Honeywell)).

Конструктивно контроллеры могут быть выполнены (рис.3) в приборном исполнении (для отдельного монтажа, или монтажа на двери шкафа автоматики), а также для установки на DIN-рейку внутри шкафа.

По оптимальному соотношению «цена-качество» среди представленных зональных МК следует выделить Аэроклим 4-av (РАУТ-автоматик) и ТРМ133 (ОВЕН). Они позволяют реализовать двухконтурное управление (нагрев-охлаждение) прямоточных вентиляционных систем, имеют русскоязычное меню и адаптивную настройку ПИД-регуляторов. К недостаткам этих контроллеров следует отнести возможность работы только с термопарами и низкоомными термосопротивлениями и отсутствие интерфейса (Аэроклим 4-av) для интеграции в системы более высокого уровня.

Рис. 2. Конфигурирование контроллера Аэроклим 4-av (РАУТ-автоматик) с помощью изменения монтажных схем.

Рис.3. Конструктивное исполнение контроллеров: а) – Аркон-2 (РАУТ-автоматик); б)- ТРМ133 (ОВЕН).

Системные контроллеры обладают более широкими возможностями (по количеству входов-выходов, производительности процессора, объему памяти и т.п.) и реализуют сложные системы автоматики от центральных кондиционеров до систем управления климатом всего здания.

Таблица 1

Технические характеристики зональных микропроцессорных контроллеров для систем кондиционирования и вентиляции*

* - в таблицу не включены микропроцессорные одно- и многоканальные регуляторы;

** -цены здесь и в последующих таблицах ориентировочные (по прайс-листам поставщиков за прошлый год).

Системные контроллеры более многообразны как по возможности реализации алгоритмов управления СКВ, так и по конструктивному исполнению.

Технические характеристики системных, жестко программируемых микропроцессорных контроллеров представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Технические характеристики системных, жестко программируемых микропроцессорных контроллеров

Приведенные типы МК могут быть адаптированы к требуемому виду СКВ путем «монтажного» (КЛИМАВЕН 4-av) или модификационного (ТАС 2000, Corrigo C) методов конфигурирования, описанных выше. Контроллер КАДЕТ 4-av конфигурируется при помощи специального конфигуратора блоков, а при необходимости предприятие-изготовитель (РАУТ-Автоматик) может под заказ сконфигурировать управление любыми другими нестандартными системами. Контроллер имеет также интерфейс RS-485 (протоколы BACnet, ModBus или “ЮНИВЕРС”) для подключения к системе диспетчеризации.

Следующей разновидностью системных контроллеров являются программно конфигурируемые контроллеры (табл.3)

Рис. 4. Микропроцессорный контроллер ECL Control 300 (Danfoss) конфигурируемый с помощью чип-карт.

Принципиальное отличие программно конфигурируемых контроллеров от свободно программируемых (последние будут рассмотрены чуть ниже) заключается в том, что программа для конфигурации уже имеет в своей библиотеке готовые алгоритмы управления для типовых, часто встречающихся в инженерной практике систем. Таким образом, задача инженера значительно упрощается и максимально автоматизируется.

Одним из первых представителей контроллеров такого типа является ECL Control 300 (Danfoss). В этом контроллере (рис.4.) программы управления конкретными устройствами записываются заводом-изготовителем на специальном носителе (чип-карте). Функционирует МК только при введении в него чип-карты. Существует набор стандартных чип-карт, которые позволяют автоматизировать различные конфигурации вентиляционных систем и систем отопления. Аналогичный метод конфигурирования используется в контроллере ОК3.03 фирмы БіК (Украмна).

В контроллерах SC-9100 (JOHNSON CONTROLS) и UCS-10,20,30 (UM Control Sistem), кроме возможности ручной конфигурации для определённой системы, можно воспользоваться библиотекой копий, содержащей конфигурации для стандартных систем в памяти контроллера. Достаточно набрать код нужной копии и контроллер будет готов к работе по выбранной технологической схеме.

Таблица 3

Технические характеристики программно конфигурируемых микропроцессорных контроллеров для систем кондиционирования и вентиляции

Одной из самых последних разработок в этой группе контроллеров являются контроллер Panther (рис.5.) линейки CentraLine, показанные компанией Honeywell на выставке SHK-200. Контроллеры поставляются с чистой памятью и с помощью специального программного обеспечения (ПО Coach) можно создать конфигурацию на необходимое применение и загрузить ее в контроллер. Проектировщику предлагается выбрать желаемое применение и отметить элементы, которые планируется в ней использовать. При этом в списке выбора фигурируют только актуальные для выбранного применения устройства, а элементы, которые для такой системы не предназначены - удаляются. Одновременно программа проставляет оптимальные значения параметров работы для компонентов системы, которые при необходимости можно изменить в ручном режиме. Интерфейс программы интуитивно понятен т.к. выполнен на базе операционной системы MS Windows. Кроме того, по создаваемому проекту ПО Coach автоматически может генерировать обширную документацию на русском языке, которая включает в себя схему системы, таблицу подключения проводов, последовательность запуска, списки параметров, функциональные описания и другие разделы, подготовка которых обычно занимает у специалистов значительное количество времени. Система полностью русифицирована, дисплеи контроллеров поддерживают кириллический алфавит.

Рис. 5. Контроллер Panther линейки CentraLine (Honeywell), конфигурируемый с помощью ПК.

Аналогичный способ конфигурации имеет и контроллер ЕН-105 фирмы OUMAN (Финляндия). Контроллер представляет собой моноблок со встроенным ЖК-дисплеем (рис.6), с возможностью установки, как на передней панели щита автоматики, так и внутри последнего. Встроенная за дополнительную плату функция GCM позволяет управлять системой кондиционирования и вентиляции с мобильных телефонов.

Рис.6. Контроллер ЕН-105 фирмы OUMAN вентиляции с мобильных телефонов. На русском языке поставляется проиллюстрированная подробная инструкция, в которой все доступно объяснено.

Наибольшие возможности по реализации требуемых функций управления и удобного сервиса при эксплуатации обеспечивают свободно программируемые контроллеры (табл.4).

Такие контроллеры могут работать только в составе программно-аппаратных комплексов, включающих:

• непосредственно контроллеры с сопутствующим оборудованием («Хард»), часть памяти которых выполнена на основе электрически перепрограммируемого запоминающего устройства, с доступом через последовательный порт для программирования;
• программного обеспечения («Софт»), предоставляющего среду разработки управляющих алгоритмов в виде мнемосхем, содержащих функциональные блоки различной сложности, соединённые линиями функциональных связей.

Принцип программирования таких контроллеров схематически показан на рис.7. на примере МК серии MN и ПО VisiSat фирмы Satchwell (Великобритантия).

Данный подход позволяет квалифицированному инженеру-технологу, специализирующемуся на конкретных типах управляемых систем (например, системах вентиляции) и не знакомому с какими-либо языками программирования, создавать собственноручно требуемые алгоритмы управления оборудованием без инженера-программиста. Среда разработки автоматически переводит созданный в графическом виде алгоритм в язык машинных кодов, специфичный для конкретного контроллера, и осуществляет загрузку готового исполняемого кода в контроллер.

Таблица 4

Технические характеристики свободно программируемых микропроцессорных контроллеров для систем кондиционирования и вентиляции

* -при подготовке статьи к печати компания «СОЛИТОН» (Киев) начала поставки новой линейки контроллеров MicroNet 50, поэтому приведенные данные требуют уточнения.

Рис.7. Принцип свободного программирования контроллеров на примере МК серии MN и ПО VisiSat фирмы Satchwell (Англия).

Кроме того, большинство представленных программно-аппаратных комплексов позволяют получить дополнительные преимущества при создании и эксплуатации систем управления. Это относится как к части «Хард» (дополнительные опции за отдельную плату – например, рис.8), так и к части «Софт». В части программного обеспечения это:

• программная симуляция работы созданного алгоритма, с целью проверки правильности функционирования и выявления ошибок, без подключения к контроллеру;
• определение групп параметров, доступных пользователям под разными паролями, размещение их в иерархии меню панели управления и др.

Ряд производителей контроллеров поставляют ПО бесплатно, другие распространяют его только через сертифицированных партнеров. Вообще, сравнительный анализ программно-аппаратных комплексов только по каталожным данным затруднен и может быть выполнен только с учетом отзывов проектировщиков, наладчиков и сервисных специалистов, которые отсутствуют. Поэтому, из приведенных выделим только контроллер SMH-2010C фирмы Segnetics (Россия), который заинтересует многих низким ценовым диапазоном.

Рис. 8. Некоторые опции для свободно программируемых контроллеров линейки pCO фирмы CAREL (Италия).

SMH 2010 С - это компактный, быстродействующий программируемый контроллер (рис.9), предназначенный для операций управления в системах, требующих от 10 до 128 входов/выходов. Панельное исполнение контроллера позволяет использовать его одновременно и, как операторскую панель, устанавливаемую снаружи электротехнических шкафов, в соответствующие отверстия. Программное ядро, установленное на контроллере, позволяет при помощи специального инструментального пакета SmLogix, работающего под Windows, создавать пользовательские программы управления для контроллера на языке функциональных блоков.

Рис. 9. Контроллер SMH 2010 С фирмы Segnetics (Россия)

Как видим, ассортимент микропроцессорных контроллеров и по типу, и по фирмам производителям достаточно обширен. Какой же контроллер больше всего подходит для создаваемой или реконструируемой СКВ, какие основные критерии при его выборе?

Эти вопросы обычно стоят не перед конечным потребителем – заказчиком СКВ, а перед фирмой, которая проектирует, монтирует и производит наладку СКВ. Потребителя же СКВ интересует только ее надежное функционирование при минимальной стоимости. В идеале фирмы инсталяторы микропроцессорных контроллеров должны производить выбор последних в такой последовательности критериев:

• обеспечение функциональных характеристик системы в соответствии с требованиями нормативных документов по вентиляции, кондиционированию и автоматизации [2,3];
• обеспечение, не противоречущих первому критерию, особых требований заказчика;
• возможность реализации оптимальных программ управления и законов регулирования в части точности и экономичности работы;
• предполагаемое (планируемое) расширение системы и (или) интеграция ее в централизованные системы управления микроклиматом или инженерным оборудованием всего здания;
• стоимость системы с учетом выбранного микропроцессорного контроллера и оценки эксплуатационных расходов;
• удобства эксплуатации, исходя из возможностей сервесной службы заказчика или предполагаемой фирмы сервесного обслуживания.

На практике фирмы – инсталяторы МК не придерживаются такой последовательности. Для них, большей частью, определяющими критериями являются стоимость контроллера и обеспечение функциональных характеристик системы в минимальном объеме при максимальной простоте настройки и обслуживания.. Это вызвано двумя обстоятельствами: стремлением получения максимальной прибыли при минимальных затратах и недостатком кваллифицированных специалистов по автоматике.

На втором обстоятельстве следует остановится более подробно. Дело в том, что кроме правильного выбора контроллера при проектировании системы необходимо последовательное выполнение таких этапов как:

• разработка алгоритма управления с учетом особенностей объекта и программирование или конфигурирование выбранного контроллера;
• монтаж средств управления (включая контроллер) на объекте;
• наладка системы автоматики на действующей СКВ.

И если для этапов монтажа и наладки простых зональных контроллеров достаточно наличия кваллифицированных рабочих по монтажу и наладке КИПиА,* то все эти этапы

* - Единственное учебное заведение в Украине по лицензионной подготовке наладчиков КИПиА применительно к автоматизации систем вентиляции и кондиционирования – учебный центр внедрения климатических технологий при ООО «ИВИК»

при применении системных контроллеров требует правлечения инженерно-технического персонала по специальности «Автоматизация технологических процессов» со знанием технологии обработки воздуха или имеющего практический опыт работы с СКВ. Таких специалистов готовит только Одесская академия холода, а выпускники строительных академий и университетов по специализизации «Автоматизированные системы управления в строительстве» большей частью лучше ориентируются в АСУ, чем в САУ. Отсюда и дифицит указанных специалистов.

Поэтому, мелкие фирмы по внедрению модульных систем вентиляции используют для автоматизации простые и дешевые контроллеры, или выполняют ее на базе одноканальных регуляторов, термостатов, таймеров и т.п. Крупные фирмы- инсталляторы средств автоматики в СКВ, особенно занимающиеся внедрением не только САУ, но и АСУ, обычно используют МК только одной, определенной торговой марки. Это облегчает расширение смонтированных систем в будущем, упрощает сервисное обслуживание парка систем управления, обеспечивает получение постоянных значительных скидок и информационной поддержки со стороны дистрибутора или производителя. Кроме того, переход на новую марку МК связан с необходимостью освоения нового ПО и особенностей работы контроллера, что требует определенного времени. Поэтому, успешное продвижение на рынок новой марки или типа микропроцессорного контроллера затруднено. Принципиальные решения такого МК должны обеспечить его многофункциональность, низкую стоимость, простоту установки и настройки без привлечения высококвалифицированного специалиста по КИПиА, а также надежность работы.

В настоящее время специалисты ООО «ИВИК» разработали принципиальные технические решения микропроцессорного контроллера, способного управлять большинством приточно-вытяжных систем. Контроллер легко настраивается на конкретную конфигурацию путем переключения DIP переключателей установленных на плате контроллера, что исключает применение специализированного программного обеспечения, или применения различных контроллеров для различных конфигураций приточно-вытяжных систем. Конструктивно контроллер представляет собой устройство, монтируемое в шкаф управления на DIN рейку. Контроллер может работать автономно, с операторской панелью (специальной и поставляемой отдельно) или в составе АСУ зданием, для чего контроллер оборудован интерфейсом RS485 с поддержкой протокола ModBus.

В заключении необходимо обратить внимание на такой важный этап, как наладка системы управления и в первую очередь замкнутых контуров регулирования. Как показали исследования, выполненные фирмой Honeywell [4], 63 % контуров регулирования из 100.000 проверенных оценены как не налаженные или условно допустимые для работы. Проблема заключается в том, что один плохо настроенный контур регулирования может неблагоприятно сказаться на других контурах регулирования и на работе всей системы управления в целом. В результате теряются качественные показатели работы климатической системы и снижается энергоэффективность, что может свести на нет все преимущества применения микропроцессорных контроллеров в системах автоматического управления.

Литература

1. Бондарь Е.С. и др. Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха // К.: «Аванпост-Прим», - 2005.
2. СНиП 3.05.07-85 Системы автоматизации.
3. СНиП 2.04.05-91 Отопление, вентиляция и кондиционирование.
4. Miller R. Some Process Plants Are Out of Control // Control – December -2003.