Model sterowania procesem eksploatacji złożonego obiektu technicznego

Transkrypt

1 Buletyn WAT Vol. LXVI, Nr 1, 2017 Model sterowana procesem eksploatacj złożonego obektu techncznego JACEK PAŚ Wojskowa Akadema Technczna, Wydzał Elektronk, Warszawa, ul. gen. S. Kalskego 2, Streszczene. W artykule przedstawono model sterowana procesem eksploatacj złożonego obektu techncznego. W procese sterowana eksploatacją można wyróżnć dwe grupy ogranczeń przestrzenne czasowe. Badana kotłów CO mały na celu określene podstawowych charakterystyk eksploatacyjnych ze zdalnym, bezprzewodowym sterowanem wykorzystującym ogólnodostępną seć transmsj sygnałów GSM. Słowa kluczowe: eksploatacja, złożony obekt technczny, obsługwane DOI: / Wstęp Eksploatacja złożonego obektu techncznego to jeden proces, a dwa zdarzena losowe, które obejmują: obsługwane jako dzałane przygotowujące obekt technczny do uruchomena wykorzystana oraz użytkowane jako dzałane polegające na wykorzystanu obektu (urządzena) zgodne z jego przeznaczenem. Warunkem powstana przebegu procesu eksploatacj jest stnene co najmnej dwóch elementów przedmotu eksploatowanego oraz systemu eksploatacj. Zadanem systemu eksploatacj jest stworzene najbardzej efektywnych warunków użytkowana obektu złożonego przy mnmalnych nakładach na obsługwane [3, 5]. Utrzymane złożonego obektu techncznego w stane cągłej gotowośc sprawnośc wymaga jego obsługwana. Sterowane procesem eksploatacj obejmuje węc dwa dzałana sterowane użytkowanem obsługwanem. Proces sterowana eksploatacją systemów złożonych można zdefnować jako możlwość przejśca z jednego do

2 128 J. Paś drugego stanu pracy z n wyróżnonych stanów eksploatacyjnych zgodne z planem lub algorytmem systemu eksploatacj. W procese sterowana eksploatacją obektu złożonego można wyróżnć dwe grupy ogranczeń przestrzenne czasowe. Ogranczena przestrzenne dotyczą np. terenu mejsca, gdze złożony obekt technczny, w tym przypadku pec CO, jest użytkowany obsługwany. Realzacja programu lub algorytmu eksploatacj, zwązana z realzacją zaslana palwem energą elektryczną, bezprzewodowa wymana nformacj telekomunkacyjnych operator-obekt td. [1, 2, 9, 10]. Ogranczena przestrzenne procesu eksploatacj są zwązane z parametram fzycznym otoczena obektu techncznego (zasęg sygnału radowego stacj bazowej telefon komórkowej, propagacja fal elektromagnetycznej w obekce budowlanym, temperatura, wlgotność td.). Ogranczena czasowe, w których zmenną nezależną jest czas t lub czas eksploatacj obektu Y, zwązane są ze zmaną charakterystyk przedmotu lub systemu eksploatowanego w funkcj czasu użytkowana obsługwana. Algorytm sterowana mus uwzględnać np. proces starzena kotła CO, zmanę mocy, częstotlwośc nadajnka stacj bazowej, warunk propagacj sygnału, lokalne obcążene sec GSM, czasy opóźnena sygnału sterującego. 2. Sterowane procesem eksploatacj złożonego obektu techncznego Analza procesu eksploatacj złożonych systemów techncznych, w tym urządzena grzewczego, to szukane odpowedz na dwa podstawowe pytana: jak użytkować urządzene technczne, aby osągnąć najlepszy efekt przy nskm nakładze ekonomcznym energa, palwo stałe, gaz, konserwacja td. oraz odpowednm pozome bezpeczeństwa eksploatacj nstalacj grzewczej? jake procedury obsługwana kedy należy zastosować w celu przywrócena wymaganego potencjału eksploatacyjnego urządzena przy określonym nakładze fnansowym z zachowanem wymagań techncznych urządzena [1]? Każde dzałane człoweka powodujące uruchomene korzystane z określonych sł środków, przejawające sę wytworzenem nowych wartośc, nazywamy procesem eksploatacj. Model funkcjonalny eksploatowanego złożonego systemu techncznego przedstawono na rysunku 1. Zaprezentowano zasadncze blok funkcjonalne oraz występujące relacje nformacyjne. Po przetworzenu sygnału wejścowego w bloku sterowana procesem eksploatacj uwzględnenu sygnałów zakłócających, które mogą oddzaływać na sygnał sterujący m(t), otrzymujemy sygnał wyjścowy y, który można opsać za pomocą wektora wyjścowego n wymarowego [1, 2].

3 Model sterowana procesem eksploatacj złożonego obektu techncznego 129 xt () mt () System sterujący procesem eksploatacj człowek Kocoł CO ut () mt ( ) welkośc wejścowe systemu eksploatacj (np. temperatura użytkowa pomeszczena); xt () welkośc wejścowe przedzału eksploatacj urządzena (np. temperatura zewnętrzna otoczena, wewnętrzna pomeszczeń,...); yt () zbór welkośc wyjścowych urządzena eksploatacj (np. temperatura wyjścowa HO, 2 czas pracy, temperatura pomeszczena,...); ut () zbór welkośc wyjścowych systemu eksploatacj (np. temperatura palenska, gazów wylotowych, cśnena czas pracy kotła, temperatura cepłej wody użytkowej,...) Rys. 1. Model schematu funkcjonalnego systemu eksploatacj kotła CO z uwzględnenem oddzaływań zewnętrznych sterujących [opracowane własne] yt () Sygnał wyjścowy sterujący obektem techncznym kotłem CO uwzględna charakterystyk przetwarzana systemu, które mogą być lnowe lub nelnowe w całym zakrese sterowana { } y y1 y2 y n = ; ; ;. (1) Każdy złożony obekt technczny mus być zaopatrywany w materały, nformację, energę elektryczną określone środk technczne przez system zaopatrywana o określonej charakterystyce [3, 11]. W systeme zaopatrywana występują sygnały wejścowe procesu zaopatrywana ν 1,ν 2,,ν n oraz sygnały wyjścowe µ 1, µ 2,,µ n, które uwzględnają charakterystykę przetwarzana systemu sterowana. System sterowana eksploatacją wypracowuje sygnały sterujące na podstawe następujących danych [3]: przetworzonego sygnału m w bloku sterowana m= { m1; m2; ; m n }, (2) sygnału wyjścowego procesu zaopatrywana µ = { µ 1; µ 2; ; µ n }. (3) Sygnał wyjścowy systemu sterowana y stanow wektor welkośc wyjścowych o następującym zborze elementów { } y y1 y2 y n = ; ; ;. (4) Każdy ze składowych wektorów m y jest funkcją czasu t, czasu eksploatacj Q oraz parametrów eksploatacj e, a węc { } m = m t, Θ, e, (5) { } y = y t, Θ, e, (6) przy czym, j = 1, 2, 3,..., n. Przebeg procesu eksploatacj zależy równeż od charakterystyk r kotła CO, przetwarzana nformacj perwotnej, np. regulacja temperatury w pomeszczenu

4 130 J. Paś nr 1 na temperaturę zużyce czynnka grzewczego oraz parametrów e całego systemu eksploatowanego, nstalacja CO w budynku. Dlatego w funkcjach opsujących składowe wektorów m y mogą wystąpć parametry r, welkośc wejścowe x wyjścowe y przedmotu eksploatowanego, tj. kotła CO. W ogólnym przypadku funkcje 5, 6 mogą przyjąć postać: { } m= m t, Θ, exyr,,,, (7) { } y = y t, Θ, exyr,,,. (8) Zapotrzebowane na proces eksploatacj jest wypracowywane w warunkach kompromsu mędzy temperaturą wewnętrzną w pomeszczenach a możlwoścam ekonomcznym bazą technczną możlwośc regulacyjne, zaneczyszczene środowska td. całego systemu. Ocena sterowana procesem eksploatacj może być precyzowana na podstawe welkośc u jako różnca składowych wektora potrzeb u 0 (temperatura pomeszczeń lub np. wody użytkowej) wektora faktycznego stanu u (możlwośc technczne kotła CO np. moc, czas reakcj na zadaną temperaturę, parametry nstalacj CO, właścwośc energetyczne budynku td.) [1, 3]. Wykorzystując pojęce jakośc procesu eksploatacj systemu grzewczego (rys. 2), oznaczone przez J( e ), budujemy model oceny według relacj (9). Rys. 2. Model oceny dzałana systemu eksploatacj, gdze: u sygnał uchybu (nedokładnośc procesu eksploatacj); y charakterystyka przedmotu eksploatowanego; z zakłócena; m charakterystyka wejścowa sterowana; r funkcja lub wskaźnk wag zawarty w grancach 0 r 1; c wykładnk formy c = <χ 1, χ 2,, χ n > c 0 r (9) 0 J ( e ) = ( u u) dt. Na rysunku 3 przedstawono schemat oddzaływana użytkownka na parametry technczne u(t) kotła CO przy pomocy dodatkowych urządzeń techncznych, tj. pompy wentylatora. Sterowane kotłem odbywa sę dzęk nformacjom, jake można uzyskać samodzelne bez udzału urządzeń elektroncznych, wykorzystując jedyne wskazana

5 Model sterowana procesem eksploatacj złożonego obektu techncznego 131 urządzeń rejestrujących zmany temperatury. W układze sterowana (rys. 3) stneją opóźnena reakcj w następującym łańcuchu dzałana odczyt temperatury człowek (odbór nformacj, zapamętane, przetworzene, dzałane) reakcja pompy lub wentylatora na zadaną welkość wejścową [3, 5, 6, 10]. Temperatura zewnętrzna tt () Człowek mt () Bezwładność kotła (opóźnene) at () Opóźnene reakcj ct () Pompa obegowa et () ut () Kocoł bt () Opóźnene reakcj dt () Wentylator ft () WS Rys. 3. System antropotechnczny sterowana eksploatacją kotła CO użytkownk w pętl sprzężena zwrotnego Wraz z rozwojem technolog produkcj sterowana wprowadzono urządzena elektronczne elektryczne, które umożlwają dokładne sterowane parametram techncznym kotła CO. Dzęk temu znacząco wzrosły możlwośc sterowana kotła, ne tylko ogranczając sę do pomaru wększej lośc zmennych, lecz także do zdalnego sterowana kotłem w sposób przewodowy (moduł sterowana temperaturą w pomeszczenach użytkowych) lub bezprzewodowy (nternet, W-F, GSM). Wykorzystane nowoczesnej technk sterowana kotła, np. czujnków pogodowych, zamplementowanych programów optymalzacyjnych sterowana w wykonawczych mkroprocesorach systemu ogrzewana, powoduje, że sam proces regulacj sprowadza sę do jednej czynnośc nformacj o temperaturze, która pownna być utrzymywana w danym pomeszczenu. Sterownk (mkrokomputer) samodzelne będze zarządzał osprzętem techncznym kotła CO w celu utrzymana zadanej welkośc wejścowej. Przedstawone powyżej elementy oraz ch charakterystyk występują we wszystkch układach regulacj systemu sterowana kotłem CO. Razem stanową złożony układ regulacj, który jako całość posada określoną dynamkę wyznaczoną przez parametry eksploatacyjne kotła. Uzyskane opsu dynamk całego układu regulacj pozwala na ocenę jego pracy jako całośc w systeme sterowana kotła CO. Analzując nowoczesne rozwązana zwązane z rozbudową systemów grzewczych, system sterowana rozbudowano o obsługę dodatkowych pomp czujnków. Wraz z ogrzewanem pomeszczeń, użytkowncy ogrzewają też wodę użytkową.

6 132 J. Paś Sterownk tak mus obsłużyć trzy pompy oraz wentylator. Wszystke procesy ogrzewana pownny być też montorowane (rys. 4). Kotły automatyczne ze względu na wększe bezpeczeństwo dają możlwość sterowana zdalnego, ne tylko za pomocą sterownka temperatury, który znajduje sę w pomeszczenu, lecz także za pomocą telefonu komórkowego np. SMS. W zależnośc od tego, czy jest to układ otwarty, czy zamknęty, nstalacja pownna być wyposażona w naczyne przeponowe lub naczyne otwarte, zawór bezpeczeństwa, ewentualne w wężownce. Dopero w takm przypadku możemy stwerdzć, że wystarczające stają sę zabezpeczena realzowane przez sterownk czujnk temperatury. Rys. 4. Schemat modelu systemu eksploatacj kotła z obsługą trzech pomp 3. Pomary wybranych charakterystyk sterowana kotłów Badana kotłów CO mały na celu określene podstawowych charakterystyk eksploatacyjnych ze zdalnym, bezprzewodowym sterowanem wykorzystującym ogólnodostępną seć transmsj sygnałów GSM przedstawoną na rysunku 5a. Czas reakcj kotła, tj. opóźnene komunkatu pomędzy modułem sterowana a reakcją urządzeń elektrycznych, jest funkcją sposobu oddzaływana na zadaną temperaturę (rys. 5b). W przypadku komunkatu otrzymywanego ze sterownka pogodowego

7 Model sterowana procesem eksploatacj złożonego obektu techncznego 133 wynosł 2 [s], natomast wymuszene, komenda nadawana przez moduł GSM to opóźnene 4 [s]. Rys. 5. a) Sposoby komunkacj bezprzewodowej w eksploatowanym systeme grzewczym; b) czas przesyłu komunkatu pomędzy modułem sterowana a kotłem CO Na rysunku 6 przedstawono zależność czasu pomędzy wysłanem komendy z termnala moblnego a odborem tego sygnału przez moduł sterujący peca. Mnmalny czas opóźnena, który został zarejestrowany podczas prowadzonych badań, występował w tej samej sec bezprzewodowej (Plus) wynosł 7,05 [s]. Przypadek ten został zarejestrowany o godzne 7.00, a było to spowodowane najmnejszym obcążenem w sec bezprzewodowej. Najwększe opóźnene czasowe występuje w przypadku połączena mędzy secą T-moble a Plus o godzne Podczas wykonywana badań najwększe opóźnene uzyskano w przypadku połączena w sec Orange-Plus. Średn czas opóźnena połączeń to 9,26 [s]. Rys. 6. Czas opóźnena pomędzy wysłanem komendy z termnala moblnego a odborem przez moduł sterujący peca CO Podczas przeprowadzana badań dało sę zauważyć zwększane czasu połączena wraz z coraz późnejszą godzną nawązywana połączena, godz W tym czase w sec telekomunkacyjnej występuje tzw. szczyt połączeń tj. maksymalne obcążene sec [2, 9]. Zwększene ruchu telekomunkacyjnego pomędzy godzną wydłużyło czas przesyłana komendy o 3 [s] to jest o około 40%. Take

8 134 J. Paś zwększene czasu opóźnena śwadczy o tym, że sec telekomunkacyjne mają określoną przepustowość (rys. 7). Rys. 7. Czas doręczena raportu do urządzena sterowana kotła CO Czas doręczena raportu został wyznaczony jako różnca czasu doręczena momentu wysłana komendy. Czas dostarczena raportu jest znaczne krótszy nż czas w przypadku wysłana komendy. Różnca ta wynosła około jednej sekundy o każdej porze dna. Jest to spowodowane tym, że wadomość z komendą mus zawerać dane uwerzytelnające w postac lognu hasła, co wydłuża znaczne czas komunkacj pomędzy urządzenem moblnym a odbornkem. Przy analze czasów opóźnena warto zwrócć uwagę, że w przypadku dostarczana raportów ne ma tak dużych różnc czasowych jak przy przesyłanu komend [4, 7, 8]. Wysyłane komunkatów z użycem sec Plus było znaczne szybsze, jednak przy dostarczanu raportów różnca ta sę zmnejszyła do wartośc czasu około 0,4 [s]. Czas ten można zakwalfkować jako błąd pomarowy, gdyż tyle wynos średno czas reakcj człoweka na wymuszene, które pojawa sę na ekrane urządzena moblnego. Przy dostarczanu raportów oraz przesyłanu komend można zauważyć dzałane telekomunkacyjnego szczytu w danej sec telefon. W czase prowadzonych badań mało to mejsce o godzne Powoduje to zwększene czasu dostarczena o około 3 [s], co w tym wypadku stanow aż 50% ogólnego czasu dostarczana raportu. Średn czas dostarczena raportu wynos około 8,4 [s] czyl dokładne tyle le wynos czas dostarczena komunkatu podczas badań o godz Wynk pomarów czasu pomędzy wysłanem komendy z termnalu moblnego (telefonu) a odpowedzą sterownka peca CO zostały przedstawone na rysunku 8. Przeprowadzone pomary czasu transmsj sygnału sterowana wykazały, że czas komunkacj pomędzy sterownkem temperatury, który zanstalowany jest w pomeszczenu użytkowym, a zanstalowanym na kotle urządzenem odborczym wynos około 3,3 [s]. W przypadku sterowana bezprzewodowego z wykorzystanem sec GSM czas ten wynosł 8,3 [s] (rys. 9).

9 Model sterowana procesem eksploatacj złożonego obektu techncznego 135 Rys. 8. Czas pomędzy wysłanem komendy z termnalu moblnego (telefonu) a odpowedzą sterownka peca CO Rys. 9. Czasy reakcj kotła sterownk temperatury w pomeszczenu użytkowym Przy wymuszenu temperatury przez sterownk, który zanstalowany jest w pomeszczenu użytkowym, czas reakcj wynosł 3,33 [s] uruchomene slnka elektrycznego. Jeśl take samo wymuszene temperatury zostane wysłane przy pomocy telefonu komórkowego, to czas, który upłyne od momentu otrzymana do uruchomena slnka, wynos 5,33 [s]. Zwązane jest to z tym, że sterownk temperatury pokojowy pracuje jak równoległe urządzene do sterownka. W tym przypadku komunkacj ne stneje potrzeba odkodowana wadomośc, jak to ma mejsce w przypadku modułu GSM [7, 8, 9]. Na podstawe przedstawonych wykresów czasów reakcj (rys. 7-9) można zauważyć, że zarówno w przypadku modułu GSM, jak sterownka temperatury rekcja urządzeń jest szybsza. Jest to spowodowane tym, że podczas uruchamana kotła w perwszej kolejnośc mus zostać uruchomona grzałka w palnku. Na rysunku 10 przedstawono pobór mocy elektrycznej z sec elektroenergetycznej kotła ze sterownkem bez układu elektroncznego typu PID. Maksymalny pobór mocy przez wszystke urządzena wynos 124 [W]. Ze względu

10 136 J. Paś na mpulsową pracę urządzeń elektrycznych wykonawczych kotła w czase ch pracy występuje max. pobór mocy w czase (30-48) [s], (62-75) [s]. Na rysunku 11 przedstawono pobór mocy elektrycznej z sec elektroenergetycznej kotła ze sterownkem układem elektroncznym typu PID [1, 9, 10]. Rys. 10. Pobór mocy kotła ze sterownkem bez układu elektroncznego z trzema członam: proporcjonalnym, całkującym różnczkującym typu PID Rys. 11. Pobór mocy kotła ze sterownkem typu PID Rys. 12. Pobór mocy przez poszczególne urządzena elektryczne kotła

11 Model sterowana procesem eksploatacj złożonego obektu techncznego 137 Na rysunku 12 przedstawono pobór mocy przez poszczególne urządzena elektryczne kotła wykorzystywane podczas procesu eksploatacj. Wypadkowy przebeg poboru mocy z sec energetycznej jest mpulsowy. Wartość średna poboru mocy uzależnona jest od czasu włączena lub wyłączena danego urządzena elektrycznego. Po włączenu grzałk elektrycznej, w czase od 2 do 32 [s], występuje maksymalny pobór mocy rzędu 290 [W]. W następnych etapach pracy kotła wartość średna poboru mocy kształtuje sę na pozome 132 [W]. Podsumowane W artykule przedstawono wynk badań procesu eksploatacj urządzena grzewczego kotła CO. Przeprowadzono analzę czasów propagacj sygnałów sterujących zewnętrznych wewnętrznych z blansem zużyca energ elektrycznej poberanej przez urządzena kotła. W wynku badań czasów przesyłana komunkatów w systeme eksploatacj można stwerdzć wpływ następujących parametrów eksploatacyjnych na proces użytkowana kotła: mejsce nstalacj kotła pomeszczene, ukształtowane terenu, zabudowa, odległość od stacj nadawczo-odborczej systemu GSM [6, 9]; czas nawązywana łącznośc (w godznach porannych czas przesyłana wadomośc jest zdecydowane krótszy nż w godznach popołudnowych); operator typ sec telekomunkacyjnej (zdecydowane krótsze czasy w przypadku przesyłana komunkatów w ramach jednej sec); rodzaj komunkacj pomędzy osprzętem elektroncznym kotła CO (czas reakcj na zmany wprowadzone przez sterownk pokojowy jest krótszy nż w przypadku modułu GSM). Artykuł wpłynął do redakcj r. Zweryfkowaną wersję po recenzjach otrzymano r. Artykuł opracowany na podstawe referatu wygłoszonego na XXX Mędzynarodowej Konferencj Naukowo-Techncznej Ekomltars 2016, Zakopane, r. Praca fnansowana z Projektu Badawczego Statutowego nr 928/2016. LITERATURA [1] Paś J., Analza nezawodnoścowa systemu zaslana energą elektryczną moblnych systemów bometrycznych, Prace Naukowe Transport, z. 100, Poltechnka Warszawska, [2] Paś J., Operaton of electronc transportaton systems, Publshng House Unversty of Technology and Humantes n Radom, Radom, [3] Stanszewsk R., Sterowane procesem eksploatacj, WNT, Warszawa, [4] Dyduch J., Paś J., Rosńsk A., Podstawy eksploatacj transportowych systemów elektroncznych, Wydawnctwo Poltechnk Radomskej, Radom, 2011.

12 138 J. Paś [5] Stanszewsk R., Cybernetyczna teora projektowana, Ossolneum, Wrocław, [6] Lewtowcz J., Kustroń K., Podstawy eksploatacj statków powetrznych, t. 1-6, ITWL, Warszawa, [7] Sergejczyk M., Paś J., Rosńsk A., Issue of relablty explotaton evaluaton of electronc transport systems used n the ralway envronment wth consderaton of electromagnetc nterference, IET Intellgent Transport Systems, [8] Paś J., Sergejczyk M., Interference mpact on the electronc safety system wth a parallel structure, Dagnostyka, [9] Paś J., Analyss of explotaton access control system selected object, Przegląd Elektrotechnczny, r. 91, nr 10, [10] Żółtowsk B., Nzńsk S., Modelowane procesów eksploatacj maszyn, AT-R Bydgoszcz, [11] Paszkowsk S., Podstawy teor systemów analzy systemowej, WAT, J. PAŚ The model of controllng explotaton process of complex techncal object Abstract. The explotaton of complex techncal object ncludes two processes: handlng as an actvty preparng the techncal object to be set up and usng as an actvty consstng n usng t for ts ntended purpose. Analyss of the explotaton process of the heater (heatng boler), s the search for answers to two questons how to use a devce to acheve the best effect and what usng procedures should be used to restore the requred explotaton potental. Keywords: explotaton, complex techncal object, handlng DOI: /