MONITORING PRACY CENTRALI KLIMATYZACYJNEJ

Transkrypt

1 Tomasz ŁOKIETEK, Słaomir JASZCZAK MONITORING PRACY CENTRALI KLIMATYZACYJNEJ W artykule został przedstaiony system monitoroania centrali klimatyzacyjnej. System ten składa się z kilku elementó pomiaroych (ciśnienie, temperatura, ilgotność, energia, itp. czujnikó) połączonych za pomocą sieci szeregoej RS48. Sygnały pomiaroe są źródłem danych dla środoiska SCADA. Pierszy etap rozoju był ziązany z yborem urządzeń pomiaroych i budoy sieci szeregoej. Autorzy opisali rónież jak proadzić dane do sieci TCP / IP. W pierszej części artykułu przedstaiono centralę klimatyzacyjną jako obiekt monitoringu. Następnie autorzy opisali podstay teoretyczne, które są potrzebne dla obliczania ydajności chłodniczej, grzeczej i efektyności odzysku ciepła centrali. Po tym została omóiona struktura systemu z ybranymi szczegółami odnośnie integracji sprzętoej i implementacji oprogramoania SCA- DA. W końcoej części zostały przedstaione ybrane zrzuty ekranu, aby pokazać typoe tryby pracy centrali oraz skuteczność opracoanego systemu monitorującego. WSTĘP Współczesny człoiek spędza blisko 90% życia zamkniętych pomieszczeniach, narażając się na działanie toksycznych substancji ydzielających się z materiałó budolanych i yposażenia nętrz []. Z uagi na coraz iększą hermetyzację pomieszczeń oraz rosnące zanieczyszczenie poietrza, szczególnego znaczenia nabiera zapenienie ludziom odpoiedniego mikroklimatu pomieszczeniach, których spędzają iększość czasu. Wpły arunkó komfortu cieplnego na samopoczucie, zdroie i ydajność pracy człoieka jest istotny []. W klimatyzacji komfortu dąży się do storzenia optymalnych arunkó do pracy i ypoczynku przestrzeniach zamkniętych, których przebyają ludzie. Wymaga to zastosoania systemu klimatyzacji, który zapeni odpoiednie odśieżenie i czystość poietrza oraz regulację jego temperatury i ilgotności. System klimatyzacji poinien realizoać następujące procesy: dostarczenie odpoiedniego strumienia poietrza zenętrznego, filtracja poietrza, ogrzeanie lub chłodzenie poietrza, nailżanie lub osuszanie poietrza, automatyczna regulacja parametró. Dodatkoo musi być zapenione: odpoiednia prędkość poietrza strefie przebyania ludzi, odpoiednia temperatura poierzchni otaczających, ograniczony hałas, odpoiedni ładunek elektrostatyczny poietrza i poierzchni, brak przenoszenia zapachó, energooszczędna praca systemu. Obszar zalecanych parametró poietrza ilustruje rysunek. Temperatura poietrza strefie przebyania ludzi poinna ynosić zimie 0- C, lecie -6 C. Optymalna artość ilgotności zględnej zaiera się zakresie 40-60%, zimą jest dopuszczalna 0%. Granica obszaru zaartości ilgoci i temperatury szczególnie uciążliego dla ludzi jest określona krzyą duszności. Prędkości poietrza strefie przebyania ludzi poinny być rzędu 0,0-0, m/s okresie zimy oraz 0,8-0,40 m/s okresie lata [4]. Rys.. Obszary zalecanych parametró poietrza pomieszczeniach entyloanych i klimatyzoanych [4] Monitoring i izualizacja pracy systemu klimatyzacji umożliia obserację praidłoości jego pracy, a także zmian parametró poietrza i procesó obróbki cieplno-ilgotnościoej czasie rzeczyistym. W dalszej części artykułu przedstaiony będzie opracoany system monitoringu pracy centrali klimatyzacyjnej, który realizuje funkcje zbierania danych z szeregu czujnikó i przetornikó pomiaroych oraz prezentoania ich na schemacie instalacji oraz formie ykresó. Możlia jest też archiizacja danych pomiaroych i ich obróbka z ykorzystaniem zenętrznego oprogramoania, np. Excel, Matlab.. OPIS CENTRALI KLIMATYZACYJNEJ Analizoany system klimatyzacji obsługuje da pomieszczenia: salę laboratoryjną i ykładoą. Zbudoany jest oparciu o centralę naieno yieną z odzyskiem ciepła typu VS-7-L- RHC/S firmy VTS, przedstaioną na rysunku. Podstaoe parametry centrali zestaiono tabeli. 44 AUTOBUSY /06

2 Zaartość ilgoci yznaczana jest ze zoru: x, 694 p p p 0 (4) p ciśnienie cząstkoe pary odnej poietrzu, edług zależności (), Pa; p ciśnienie bezzględne poietrza [Pa]. Rys.. Schemat centrali klimatyzacyjnej: -6 punkty pomiaru parametró poietrza [opracoanie łasne] Tab.. Parametry centrali klimatyzacyjnej [] Parametr Jednostka Wartość Strumień poietrza naieanego m/h 000 Strumień poietrza yieanego m/h 000 Moc grzecza kw 0 Moc chłodnicza kw Spraność temperaturoa odzysku ciepła okresie zima/lato % 8 / 8 Spraność ilgotnościoa odzysku ciepła okresie zima/lato % 6 / 0 Poietrze zenętrzne dopłyające do centrali jest stępnie oczyszczane filtrze i trafia do regeneracyjnego ymiennika obrotoego, którym jest podgrzane lub ochłodzone yniku odzysku ciepła z poietrza usuanego z pomieszczeń. Następnie poietrze jest ogrzeane nagrzenicy lub chłodzone chłodnicy zależności od potrzeb. Wentylator naieny przetłacza uzdatnione poietrze do pomieszczeń klimatyzoanych. Poietrze zużyte jest usuane z pomieszczeń przez część yieną centrali. Poprzez tłumik hałasu i filtr przepłya do ymiennika obrotoego, gdzie odzyskiane jest z niego ciepło. Wentylator yieny przetłacza zużyte poietrze kanałem na zenątrz obiektu. Centrala realizuje następujące podstaoe tryby pracy: entylacja (bez załączania nagrzenicy i chłodnicy), ogrzeanie, chłodzenie i osuszanie poietrza.. WYZNACZANIE PARAMETRÓW PRACY CENTRALI Rzeczyiste parametry pracy centrali są yznaczane edług poniższych zależności [], na podstaie ynikó pomiaró parametró poietrza punktach zaznaczonych na rysunku. Wydajność chłodniczą i grzeczą określają zależności: Q ch V h h 4 () () Q g V h h Qch ydajność chłodnicza, kw; Qg ydajność grzecza, kw; V strumień objętościoy poietrza, m /s; ρ gęstość poietrza, edług zależności (), kg/m ; h entalpia łaścia poietrza, edług zależności (8), kj/kg. Gęstość poietrza może być yznaczona ze zoru: p ( x) () (87,04 46,4 x) T x zaartość ilgoci, edług zależności (4), kg/kg p.s.; T temperatura bezzględna poietrza [K]; p ciśnienie bezzględne poietrza [Pa]. Ciśnienie cząstkoe pary odnej poietrzu yznaczane jest z zależności: p () p s ps ciśnienie nasycenia pary odnej, edług zależności (6) lub (7), Pa; φ ilgotność zględna poietrza, -. Ciśnienie nasycenia nad lodem dla temperatur zakresie C określa zależność: ln p s C T 6 C / T C 4 C ln T 7 C T C T T temperatura bezzględna poietrza [K]; C = -,6749 E+0; C = 6,947 E+00; C = -9, E-0; C4 = 6,70 E-07; C =,07478 E-09; C6 = -9, E-; C7 = 4,609 E+00; 4 C T Ciśnienie nasycenia nad odą dla temperatur zakresie 0 00 C określa zależność: ln p s C C ln T 8 / T C C8 = -,80006 E+0; C9 =,9499 E+00; C0 = -4,86409 E-0; C = 4, E-0; C = -,4409 E-08; C = 6,4967 E+00; Entalpię łaścią poietrza ilgotnego yznacza się ze zoru: 9 C T C T 0 C h,006 t 0, 86t x t temperatura poietrza, C. T (6) (7) (8) Całkoita spraność odzysku ciepła ymienniku obrotoym z poietrza usuanego yznaczana jest ze zoru: c m ( h h ) m h m h 00% (9) m strumień masoy poietrza, kg/s; poietrze zenętrzne przed ymiennikiem odzysku ciepła; poietrze naieane za ymiennikiem odzysku ciepła; poietrze yieane przed ymiennikiem odzysku ciepła. /06 AUTOBUSY 4

3 Spraność temperaturoa odzysku ciepła z poietrza usuanego yznaczana jest ze zoru: t t t 00% (0) t t. OPRACOWANIE SYSTEMU MONITORINGU Z uagi na gabaryty centrali klimatyzacyjnej oraz stopień rozproszenia, zaplanoanych punktó pomiaroych zdecydoano o zastosoaniu roziązania siecioego tj. magistrali szeregoej RS48 do połączenia szystkich elementó pomiaroych i i protokołu Modbus RTU do przesyłania danych pomiaroych, co przedstaiono na rys.. Tego typu roziązanie garantuje minimalizację długości okabloania i umożliia sobodną rozbudoę systemu pomiaroego przyszłości. Opierając się na założeniach stępnych, odnośnie liczby punktó pomiaroych oraz oczekianego czasu próbkoania, autorzy skonfiguroali : cztery liczniki energii i mocy czynnej (PRO80-Mod firmy Astat). sześć przetornikó temperatury i ilgotności (P8 firmy Lumel) da przetorniki ciśnienia i przepłyu (DPT-Mod firmy HK- Instruments). Rozmieszczenie punktó pomiaroych przedstaiono na schemacie PiA rys.4. FPT Rys. 4. Schemat PiA centrali klimatyzacyjnej [opracoanie łasne] W celu zapenienia bezproblemoej komunikacji, szystkie urządzenia pomiaroe poinny być skonfiguroane taki sam sposób, oparciu o założone parametry sieci szeregoej RS48 tj.: FPT prędkość (ang.baudrate) 9600 kbps, parzystość (ang. Parity) None, bit stopu (ang. Bit stop) 8. Mierzone parametry są przechoyane określonych rejestrach, przedstaionych tabeli. System adresoania jest oparty o oryginalną specyfikację standardu Modbus RTU. Poza konfiguracją poszczególnych stacji slave istotne jest ich poiązanie z unikalnymi identyfikatorami tz. ID. Odczyt konkretnego parametru ymaga odołania do adresu, który stanoi numer rejestru przechoującego artość parametru. W tabeli przedstaiono zakresy adresó i odpoiadające im zmienne. Tab.. Zakresy adresó i odpoiadające im zmienne Urządzenie Adres Typ zmiennej Zakres/jednostka Adam INT 4-0 /[ma] PRO80-Mod 408 UINT -/kw UINT -/kwh 489 P UINT -0-60/[oC] UINT 0-00/[%] DPT-Mod 000 UINT [Pa] 000 UINT [m/s] Zaróno numery ID oraz adresy mają podstaoe znaczenie dla popranej ymiany danych pomiędzy stacją Master i stacjami Slave. Zgodnie z rysunkiem sieć RS48 może być rozbudoyana o dodatkoe stacje Slave funkcji urządzeń pomiaroych, ale rónież funkcji urządzeń ykonaczych, umożliiających oddziałyanie na instalację np. załączanie zaoru itp. Z praktycznego punktu idzenia istotnym ograniczeniem przypadku rozbudoy sieci szeregoej RS48 jest odczualny spadek jej ydajności przy niskich założonych prędkościach. Przejaia się to e zroście czasu opóźnienia odczytu poszczególnych stacji, co ma istotne znaczenie przypadku rejestroania sygnałó szybkozmiennych jak moc czynna czy przepły poietrza. Problem roziązuje yższa prędkość sieci RS48, ale tym przypadku należy zrócić uagę na dokładność ykonania sieci RS48 tj. okabloanie typu CAN-BUS, łączenie stacji Slave magistralę i terminoanie sieci z ykorzystaniem rezystoró terminujących na stacjach Master i ostatniej stacji Slave. W proponoanym roziązaniu stację Master stanoi doolny komputer połączony z siecią RS48 bezpośrednio lub poprzez sieć Ethernet. W pierszym przypadku konieczne jest zastosoanie Rys.. Uogólniona struktura sieci szeregoej RS48 z elementami typu Slave [opracoanie łasne] 46 AUTOBUSY /06

4 sprzętoego konertera RS48->USB lub RS48->RSc, co praktyce ymaga zastosoania lokalnego komputera na stałe, ziązanego ze stanoiskiem. W drugim przypadku elementy pomiaroe, połączenie sieć RS48 należy łączyć do sieci Ethernet z ykorzystaniem np. serera portó szeregoych Nport0 firmy Moxa. Tego typu konfiguracja umożliia sobodny dostęp do monitoroanej instalacji z doolnego komputera łączonego do sieci lokalnej TCP/IP z zainstaloanym oprogramoaniem typu SCADA. Aby zapenić dostęp do ybranej zmiennej należy skonfiguroać serer sieci Modbus RTU, który jest tz. programem komunikacyjnym. Konfiguracja obejmuje zadeklaroanie kanału (ang. Channel), zgodnie z ustaieniami sprzętoymi sieci RS48, urządzeń (ang.device) sieci zgodnie z ID, przydzielonymi na etapie konfiguracji stacji Slave oraz bloku danych tj. adresu, zgodnie ze skazaniami producentó. Popranie skonfiguroany serer I/O stanoi podstaę praidłoego odczytu i zapisu danych procesoej bazie danych, ponieaż adres zmiennej procesoej bezpośrednio odołuje się do nazy kanału i adresu. Przykładoo dla odczytu temperatury (T_P8_) z przetornika P8 (ID) adres zmiennej procesoej to P8_:470, gdzie P8_ stanoi nazę kanału, natomiast 470 to numer rejestru przechoującego artość temperatury. Aplikacja SCADA umożliia monitoroanie instalacji czasie rzeczyistym poprzez szereg okien synoptycznych, które mogą być yołyane z poziomu okna głónego (rys.), przedstaiającego uproszczony idok instalacji klimatyzacyjnej. Każda zmienna jest zapisyana do procesoej bazy danych, co określony, zadeklaroany czas, natomiast dostęp do zmiennych jest możliy poprzez arkusz kalkulacyjny programie Excel. Użytkonik może rónież przeproadzić diagnostykę sieci RS48 i popraności działania protokołu Modbus RTU, poprzez bezpośredni odczyt mierzonej zmiennej oknie serisoym. Każda zmienna może być ponadto przedstaiona i analizoana na ykresie D (rys.6). Dzięki opcji eksportu danych pomiaroych do aplikacji zenętrznych, np. Excel, możlia jest ich dalsza obróbka i prezentacja (rys.7). Rys. 7. Wykres zmienności stężenia CO i przepłyu poietrza entylacyjnego [opracoanie łasne] PODSUMOWANIE Przedstaiony system monitoroania centrali klimatyzacyjnej składa się z czujnikó pomiaroych połączonych za pomocą sieci szeregoej RS48. Sygnały pomiaroe są źródłem danych dla środoiska SCADA. W pierszej części artykułu przedstaiono centralę klimatyzacyjną jako obiekt monitoringu. Następnie opisano zależności potrzebne do yznaczania ydajności chłodniczej, grzeczej i efektyności odzysku ciepła centrali. Po tym została omóiona struktura systemu z ybranymi szczegółami odnośnie integracji sprzętoej i implementacji oprogramoania SCADA. W końcoej części zostały przedstaione ybrane zrzuty ekranu, ukazujące funkcjonalność systemu monitorującego. BIBLIOGRAFIA. ASHRAE Handbook Fundamentals 0. Chmieloski M., Filin S., Łokietek T., [i in.], Chłodnicto i klimatyzacja: Podręcznik, Tom I, pod red. B. Zakrzeskiego. Astroprint, Odessa, 0.. Dokumentacja techniczna centrali klimatyzacyjnej 4. Systemair, Materiały pomocnicze, Systemair, 04.. Zespół chorego budynku: ocena parametró środoiska pracy, red. E. Jankoska, M. Pośniak. CIOP, Warszaa, 007. Rys.. Okno głóne monitoringu instalacji klimatyzacyjnej [opracoanie łasne] /06 AUTOBUSY 47

5 Rys. 6. Widok okna przebiegó ybranych zmiennych procesoych. [opracoanie łasne] Monitoring of the Air Handling Unit operation In the article a monitoring system of the Air Handling Unit (AHU) as presented. This system consists of several measurement elements e.g. (pressure, temperature, humidity, energy, etc. sensors) connected using a serial RS48 netork. A measurement level is a source of data for a SCADA environment. The first stage of the development as related to the selection of measurement devices and a construction of the serial netork. Authors also described ho to introduce the data into TCP/IP netork. In the first part of the article the AHU as presented as a subject of the monitoring. Then authors described a theoretical background, hich is needed for a calculation of cooling and heating capacity, heat recovery efficiency. After that a structure of the system as presented ith selected details about a hardare integration and a SCADA softare implementation. In the final part several screenshots ere presented to sho typical orking modes of the AHU and to proof efficiency of the developed monitoring system. Autorzy: dr inż. Tomasz Łokietek Zachodniopomorski Uniersytet Technologiczny Szczecinie, Wydział Techniki Morskiej i Transportu, Tomasz.Lokietek@zut.edu.pl dr inż. Słaomir Jaszczak Zachodniopomorski Uniersytet Technologiczny Szczecinie, Wydział Informatyki, sjaszczak@i.zut.edu.pl 48 AUTOBUSY /06