MAQ20 повышает эффективность отопления

В описанном в статье проекте система сбора данных и управления MAQ20 совместно с модулями формирования сигнала DSCA, стандартными датчиками и исполнительными механизмами управляет процессом сжигания топлива в дровяном котле частного дома. Система обеспечивает оптимальную эффективность на протяжении всего цикла, регулируя включение вентилятора тяги, первичную и вторичную воздушные заслонки. Основными переменными процесса являются содержание кислорода в дымовых газах (O₂) и температура горения. Для модуляции элементов управления (заслонок и вентилятора) и поддержания заданного значения O₂ используется ПИД-регулирование.
Даже при одинаковой массе древесины, взятой из одной и той же партии, динамика её горения может значительно отличаться. Мелкие поленья, в отличие от крупных, имеют бо́льшую поверхность и поэтому горят интенсивнее. Свойства разных пород дерева и различное содержание влаги в древесине тоже оказывают влияние на процесс и на его стадии: в начале, середине и конце горения характеристики различаются. Позволять типичной системе отопления дома колебаться между высокой и низкой производительностью при изменении свойств топлива неэффективно. Это приводит к неполному окислению и увеличению выхода золы и твёрдых частиц.

Управление процессом

Благодаря работе вентилятора в котле (рис. 1) создаётся воздушная тяга, и воздух проходит через две заслонки регулировки подачи воздуха. Первичная воздушная заслонка контролирует поток, идущий к основанию партии древесины в топке, управляя количеством произведённого древесного газа. Вторичная воздушная заслонка подаёт предварительно подогретый свежий воздух в изолированную камеру сгорания, где он смешивается с полученным древесным газом. Там сгорает большинство летучих веществ. Затем перегретый чистый дымовой газ с остаточной долей O₂, составляющей 5%, проходит через теплообменник, нагревая теплоаккумулирующую ёмкость с 9090 л воды. Температура дымохода на выходе составляет около +132°C. Управление силой тяги находится в зависимости от температуры в топке и помогает поддерживать постоянную производительность котла в диапазоне 102…117 кВт∙ч, а также минимизировать избыточный поток воздуха на завершающей стадии горения.

Роль Dataforth

Выход анализатора дымовых газов 4–20 мА не является линейным в диапазоне от 0 до 20,9% O₂, и его выходной сигнал не покрывает весь необходимый диапазон измерения, поэтому он не удовлетворяет в полном объёме потребностям управления следующего этапа. Устройство формирования аналогового токового сигнала DSCA32 решает обе эти проблемы, а также обеспечивает преимущества гальванической развязки и фильтрации сигнала. Разработчики автоматики оценивали оборудование нескольких производителей. Наилучшим выбором, удовлетворявшим всем требованиям, оказалась система сбора данных MAQ20, имеющая встроенные ПИД-регуляторы и широкий набор полнофункциональных модулей ввода/вывода. Во-первых, разработчик нашёл оборудование, систему, процесс настройки и программное обеспечение ReDAQ^® Shape (рис. 2) интуитивно понятными и простыми в освоении.


Далее, аппаратное и программное обеспечение Dataforth позволяют одновременно работать с несколькими ПИД-регуляторами, некоторые из них имеют объединённый вход. На одной странице просмотра в программе может отображаться множество кривых-трендов, что даёт возможность пользователю корректировать работу ПИД-узлов и наблюдать за результатом в едином интерфейсе. Хотя это может показаться простой и очевидной функциональностью, отраслевой стандарт многоконтурных контроллеров этого не предусматривает. Параметры настройки ПИД-регулятора, включая регулируемую автонастройку, доступны через лицевую панель контроллера и поэтому всегда под рукой. Параметры могут быть заданы буквально на лету. Алгоритмы автоматической оптимизации параметров корректно воздействуют на систему с учётом её отклика на управляющее воздействие, что обеспечивает подбор оптимальных коэффициентов ПИД-регулирования процесса (рис. 3).



Функции сигнализации в модуле MAQ20-KTC и специальные функции однократного импульса и триггера на запуск в модуле дискретного ввода/вывода MAQ20-DIOL позволяют вентилятору тяги включаться в начале горения и выключаться по заданной разнице температур, измеряемых двумя термопарами. В настоящее время в системе реализовано три ПИД-регулятора: первый для управления первичной воздушной заслонкой, второй для управления вторичной воздушной заслонкой, и третий для управления вентилятором тяги. Мониторинг температуры осуществляется четырьмя термопарами, две из которых используются также и для управления. Общая структура системы управления котлом приведена на рис. 4.

Что в итоге

Эта система отапливает дом в северо-восточной части Соединенных Штатов, где зимой подолгу держатся очень низкие температуры. Полная загрузка древесины помещается в котёл, система включается, затем хозяин уходит на работу. В течение дня автоматика обеспечивает равномерное и оптимальное сжигание, а затем по достижении установленных параметров, указывающих на завершение процесса, система автоматически выключается. По сравнению с соседними домами котёл будет потреблять в течение зимнего сезона вполовину меньше древесного топлива, производя при этом минимальное количество золы и твёрдых частиц.



На рис. 5 показано, как выглядит дымовая труба при работе котла отопления на полную мощность (146 кВт∙ч). Если присмотреться, то виден только тепловой шлейф, а дым полностью отсутствует. Это свидетельствует об оптимальных условиях горения топлива.
MAQ20 благодаря расширяемой конфигурации системы и широкому диапазону модулей ввода/вывода позволяет разработчику контролировать все аспекты процесса и обеспечивает гибкость, необходимую для будущего расширения и наращивания возможностей системы: разработчик не столкнётся с ограничениями, если захочет поэкспериментировать со структурой управления или добавить больше ПИД-регуляторов.

Заключение

Плод 35-летнего опыта разработок и применения в контрольно- измерительных системах – семейство MAQ20 состоит из производительных программируемых многоканальных устройств промышленного класса. Модули монтируются на стандартные DIN-рейки 35×7,5 мм (рис. 6).



Объединяющая их шина обеспечивает питание и связь между коммуникационными модулями и каждым модулем ввода/вывода. MAQ20 взаимодействует напрямую с промышленными датчиками и преобразователями, обеспечивая защиту входов, фильтрацию шума, усиление, линеаризацию, калибровку и регистрацию данных. Более подробную техническую информацию об этих и других продуктах вам всегда готовы предоставить в компании ПРОСОФТ, являющейся официальным представителем Dataforth в России. ●

Авторизованный перевод Юрия Широкова
E-mail: textoed@gmail.com