otwórz

wentylacja
Kalibracja instalacji
różnicowania ciśnienia
Wybrane problemy w kontekście prowadzenia prób odbiorowych
Robert ZAPAŁA, Maciej SZUMSKI
Konieczne jest stosowanie rozwiązań adaptujących się do bieżącej sytuacji.
O AUTORZE
Robert ZAPAŁA – inżynier
automatyk w firmie
wentylacyjnej
Maciej SZUMSKI –
doktorant Instytutu
Automatyki WEiTI
Politechnika Warszawska
Obecnie stosowane systemy nadciśnieniowego zabezpieczenia przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych do poprawnego działania wymagają jednoznacznego zdefiniowania
warunków pracy. Jednocześnie obiekty w budowie lub przebudowie można porównać do żywego organizmu, w którym
nieustannie zachodzą intensywne procesy zmieniające kształt
i właściwości tego organizmu (montaż stolarki, wykonanie
przejść instalacyjnych, tynków, posadzek). Dla kryterium 50
paskali i trzech sekund kluczowa okazuje się szczelność, wykazywana przez klatki, przedsionki czy windy – im mniejsza
(mniejsza szczelność to większy przeciek), tym układ jest łatwiejszy do regulacji. Gdy zmniejszą się przecieki, znacznie
wzrasta prawdopodobieństwo wystąpienia oscylacji. Dlatego
też uruchomienie i kalibracja systemu nadciśnieniowego musi odbyć się dopiero w momencie, gdy budynek jest całkowicie wykończony – przynajmniej w zakresie obudowy i wyposażenia dróg ewakuacyjnych.
Głównym powodem, uniemożliwiającym poprawną kalibrację,
jest przeważnie zbyt późne przekazanie budynku ekipie odpowiedzialnej za uruchomienie układu wentylacji pożarowej. Tym
samym czas niezbędny na wykonanie wszystkich prób i korekt
działania systemu (zależny od wielkości obiektu i stopnia rozbudowania instalacji wentylacji pożarowej), jest zdecydowanie niewystarczający. Dodatkowo regulację instalacji utrudnia
fakt, że zabezpieczane drogi ewakuacyjne (klatki schodowe,
przedsionki, korytarze) są w trakcie prac budowlanych, monta-
Rys. 1. Obiekt regulacji połączony z regulatorem w pętli sprzężenia zwrotnego
38 żowych i wykończeniowych, będąc stale używanymi drogami
komunikacji. Dla wykonawcy systemu zapobiegania zadymieniu niezbędny jest pewien okres, w którym na drogach ewakuacji nie pojawia się nikt niepowołany i możliwe jest poprawne
przeprowadzenie testów, niezbędnych do dobrania właściwych
nastaw regulatorów.
Często zdarza się, że części budynku (w pionie czy w poziomie), mają różnych właścicieli lub najemców, przez co wykańczanie odbywa się w kilku etapach. Podczas tych prac, z parametrów, jakie mają wpływ na działanie systemu nadciśnieniowego,
najbardziej zmienia się szczelność. Powoduje to, po zakończeniu każdego etapu prac adaptacyjnych, konieczność kosztownej
i bardzo kłopotliwej ponownej kalibracji. Konieczność ponownej kalibracji zachodzi również w przypadku przebudowy czy
remontu obiektu, jeżeli wymianie podlega stolarka budowlana
lub zmienia się konfigurację ścian działowych, mających istotny wpływ na przecieki. Nowe drzwi z reguły wykazują wyższą
szczelność, a więc współczynniki algorytmów regulacji trzeba
dobrać na nowo.
Niektóre obiekty dostosowywane są etapowo do wymagań
określonych nowymi przepisami. System nadciśnieniowy musi być kalibrowany za każdym razem, gdy, w miarę rozbudowy,
dodawane są kolejne jego części składowe – drzwi oddzielenia
pożarowego, wentylatory oddymiające, okna odprowadzające powietrze. Zawsze więc należy pamiętać, że każda ingerencja w budynek czy system powoduje konieczność wykonania
ponownych prób i testów dla zapewnienia poprawnej pracy.
Problemy kalibracyjne dotyczą systemów sterowanych elektronicznie (nastawy PID) i mechanicznych (ustawianie odważników,
sprężyn, kryzowanie przewodów wentylacyjnych).
Lekarstwem na te wszystkie problemy są układy regulacji
adaptacyjnej.
Zadanie i obiekt regulacji
Zadanie regulacji, czyli cel, który należy zrealizować za pomocą regulatora, polega na utrzymywaniu nadciśnienia w przestrzeni chronionej w zakresie 50 paskali [Pa], z tolerancją +/-20
proc. w stanie, gdy wszystkie drzwi są zamknięte. W przypadku
otwarcia drzwi na kondygnacji objętej pożarem, należy utrzymywać zadaną prędkość przepływu powietrza w otworze drzwi
(z prędkością zależną od projektowej klasy budynku w przedziale od 1 do 2 m/s). Dla zapewnienia akceptowalnego poziomu
bezpieczeństwa okres przejściowy nie powinien trwać dłużej
niż trzy sekundy. Czyli, po zamknięciu drzwi na ustabilizowanie
się ciśnienia 50 Pa, mamy maksimum trzy sekundy i po otwarciu na ustabilizowanie strumienia również.
3/2012
wentylacja
Nie realizujemy
scenariuszy
pożarowych,
tylko ratujemy
ludzkie życie
Rys. 2. Algorytmy bez/i z predykcją na przykładzie zachowania kierowcy samochodu
Obiektem regulacji jest pionowa droga ewakuacyjna (klatka
schodowa), napowietrzana przez wentylator z falownikiem (przekształtnikiem częstotliwości). Falownik, zasilany z sieci energetycznej, wysyła do silnika wentylatora napięcie przemienne o częstotliwości regulowanej w zakresie od 0 do 50 Hz. Umożliwia to
precyzyjne sterowanie obrotami silnika, czyli wydatkiem wentylatora. Falownik otrzymuje sygnał sterujący z regulatora poprzez łącze transmisji szeregowej lub (w trybie Fire-Mode) sygnał napięciowy 0÷10V, który odpowiada częstotliwości od 0 do
50 Hz. Obiekt regulacji połączony z regulatorem w pętli sprzężenia zwrotnego, w sposób pokazany na rysunku 1., nazywamy
układem regulacji.
Układ regulacji, zgodnie z nadrzędną zasadą: „nie realizujemy
scenariuszy pożarowych, tylko ratujemy ludzkie życie”, powinien
realizować zadanie regulacji w każdych warunkach, bez względu
na ilość otwartych/niedomkniętych drzwi, wybitych okien itd.
Przeciek (wypływ powietrza z przestrzeni chronionej) może zmie-
niać się gwałtownie (np. wybicie szyby) lub płynnie (np. działanie
samozamykacza drzwi na piętrze nieobjętym pożarem). W układzie
regulacji występują dwa stany stabilne (ustalone): drzwi zamknięte
(50 Pa) i drzwi otwarte (2 m/s) oraz dynamiczne przejście pomiędzy nimi (stan nieustalony). Do zadania regulacji możemy dodać
warunek, który rozgraniczy oba stany ustalone: jeżeli wentylator
jest w stanie uzyskać nadciśnienie 50 Pa w przestrzeni chronionej, uznajemy to za stan drzwi zamkniętych, jeśli nie można spełnić tego warunku, oznacza to stan otwartych drzwi.
Algorytm regulacji
Każdy algorytm regulacji opiera się na wewnętrznym modelu obiektu. Algorytm PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkujący) wymaga dobrania nastaw, tradycyjnie oznaczanych jako Kp, Ti, Td. Nastawy dobiera się w zależności od właściwości
obiektu. Można powiedzieć, że w nastawach ukryty jest model
obiektu. Inne tradycyjne algorytmy, takie jak lokowanie biegu-
an ktu
l
5
1n a r y
PRENUMERATA
NA ROK
2
1
0
2
Zamów prenumeratę już dziś !!!
wypełniając formularz na stronie:
www.e-czasopismo.pl
e-mail:
[email protected]
telefonicznie:
(22) 678 38 05
38698893
www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl
www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl
Lubię to!
39
wentylacja
Najważniejszą
zaletą algorytmów
MPC jest
możliwość realizacji
optymalnego
sterownia
z uwzględnieniem
ograniczeń,
występujących
w układzie regulacji
Analiza danych
jest podstawą
do obiektywnego
i udokumentowanego
odbioru
lub sprawdzenia
rzeczywistego stanu
funkcjonowania
instalacji
40 nów (ang. PP pole placement) oraz regulator liniowo-kwadratowy (ang. LQR linear–quadratic regulator), są budowane w oparciu
o ‘prawo regulacji’ wyliczane na podstawie modelu matematycznego obiektu.
We współczesnych układach regulacji przemysłowej stosowane są algorytmy predykcyjne (ang. MPC Model Predictive
Control), oparte na modelu matematycznym obiektu regulacji. Ilustracją algorytmu MPC jest zachowanie się kierowcy samochodu. Kierowca obserwuje drogę przed samochodem i planuje kierunek jazdy, np. widząc zakręt przed sobą.
Kierowca zna właściwości swojego samochodu (model) i jego
ograniczenia, np. możliwy promień skrętu. Na tej podstawie
planuje przyszłe sterowanie: ruchy kierownicy (rys. 2.). Proces
planowania i sterowania wykonywany jest w sposób ciągły.
W klasycznych algorytmach, takich jak PID, PP, LQR, sterowanie odbywa się tylko na podstawie informacji z przeszłości,
czyli widoku w lusterku wstecznym, z zasłoniętą przednią
szybą. Najważniejszą zaletą algorytmów MPC jest możliwość
realizacji optymalnego sterownia z uwzględnieniem ograniczeń, występujących w układzie regulacji. Przykładem takiego ograniczenia jest zakres dostępnych sterowań falownika: częstotliwość może przyjmować wartości tylko z zakresu
od 0 do 50 Hz.
W przypadku układu różnicowania ciśnień, model obiektu
można rozdzielić na dwa składniki: 1) dynamika zespołu falownik
+ wentylator, 2) przestrzeń chroniona, której najważniejszą cechą jest aktualny przeciek. Jeżeli regulator mierzy aktualny przeciek, to można stworzyć układ adaptujący się do stanu obiektu regulacji.
Identyfikacja
Chaos, panujący w czasie ewakuacji (przypadkowe otwieranie i zamykanie drzwi, wybite szyby itd.), jest przekleństwem
układu regulacji o stałych nastawach, powodując rozregulowanie instalacji i utratę kontroli nad zabezpieczeniem przestrzeni chronionych. W przypadku układów adaptacyjnych ta sama
sytuacja jest wręcz pożądana, gdyż powoduje dużą zmienność sygnałów, co umożliwia bieżącą identyfikację obiektu.
Proces identyfikacji wymaga zmienności sygnału sterującego U [Hz] oraz odpowiedzi obiektu Y [Pa]. Regulator rejestruje oba sygnały w swojej pamięci i na tej podstawie dokonuje
identyfikacji. Jest on w stanie wyliczyć przeciek na podstawie pomiaru nadciśnienia i znajomości charakterystyki wentylatora. Konieczność zmian sygnałów można łatwo wytłumaczyć w następujący sposób: jeżeli dysponujemy danymi
tylko z określonego stanu ustalonego, np. U = 12 Hz i Y = 50
Pa (jedno konkretne założenie scenariusza pożarowego), to
nie jesteśmy w stanie określić ciśnienia przy innej częstotliwości (w innym niż zakładany stanie budynku podczas rzeczywistej ewakuacji). Jeżeli natomiast dysponujemy danymi bardzo
zróżnicowanymi np. sygnał sterujący zmieniał się np. od 10 do
50 Hz i została zarejestrowana odpowiedź obiektu, to istnieją metody matematyczne, które umożliwiają określenie całej
charakterystyki pracy wentylatora.
Adaptacja
Regulator ma na stałe wpisaną przez producenta charakterystykę zespołu falownik + wentylator. Algorytm na podstawie
zarejestrowanych danych dokonuje bieżącej identyfikacji klatki schodowej. Uzyskany w ten sposób precyzyjny model aktualnego stanu obiektu jest wykorzystywany przez predykcyjny
algorytm regulacji. W ten sposób uzyskuje się adaptacyjny algorytm regulacji.
Identyfikacja wymaga jednak zebrania pewnej ilości danych
początkowych. W czasie startu systemu napowietrzania (norma
PN EN 12101-6 „daje” nam jedną minutę na osiągnięcie wymaganej wydajności układu), wentylator rozpędzany jest określoną
sekwencją sterowań, jednocześnie rejestrowane są zmierzone
w kolejnych chwilach czasowych wartości nadciśnienia. Po zebraniu odpowiedniej ilości danych, wykonywana jest pierwsza
identyfikacja i rozpoczynana praca algorytmu regulacji adaptacyjnej. Podczas całego okresu pracy układu gromadzone są kolejne dane i adaptacja wykonywana jest na bieżąco w każdym
cyklu pracy regulatora.
Taki mechanizm działania powoduje że:
ƒƒ system różnicowania ciśnienia nie wymaga strojenia w czasie
instalacji (układ regulacji dostroi się automatycznie w czasie
pierwszej minuty od włączenia; jeżeli możliwe jest uzyskanie nadciśnienia 50 Pa regulator będzie je stabilizował, jeżeli nie, to wentylator zostanie wysterowany na maksymalny wydatek),
ƒƒ nie ma bezwzględnej konieczności definiowania scenariuszy
pożarowych: regulacja działa w każdych warunkach, w zakresie dostępnego zakresu wydajności wentylatora.
Próby odbiorowe i sprawdzenia okresowe
Regulator rejestruje nadciśnienie w klatce schodowej. Można
je odczytywać w czasie trwania prób odbiorowych, sprawdzeń
okresowych oraz akcji ewakuacyjnej i ratunkowej jako „dane bieżące”. Ponadto możliwe jest odczytanie tych samych danych
w okresie późniejszym, jako „dane zarejestrowane”, gdyż są one
przechowywane w pamięci regulatora.
Analiza tych danych umożliwia obiektywną ocenę układu
różnicowania ciśnień. Oceny dokonuje się na podstawie pomiaru czasów trwania stanów przejściowych (czy są poniżej 3 sekund) oraz spełnienia warunku na wartość nadciśnienia 50 Pa
+/-20 proc.
Analiza danych jest podstawą do obiektywnego i udokumentowanego odbioru lub sprawdzenia rzeczywistego stanu funkcjonowania instalacji. Umożliwia również ocenę działania układu
różnicowania ciśnień w czasie akcji ewakuacyjnej i ratunkowej.
Uzyskane wyniki można wydrukować i dołączyć do dokumentacji odbiorowej, protokołu sprawdzenia itd.
Wyniki badań i podsumowanie
Przeprowadzone badania z wentylatorami o mocach nominalnych 4 kW, 7,5 kW i 15 kW wykazały, że opisany algorytm
adaptacyjny umożliwia uzyskanie czasów stanów przejściowych w zakresie od 0,8 do 1,2 sekundy w warunkach zmiennego przecieku.
Systemy wentylacji pożarowej, które, w myśl przepisów
techniczno-budowlanych, stanowić powinny skuteczny system ochrony dróg ewakuacji, muszą mieć zdolność adaptacji
do rzeczywistych warunków, w których pełnić będą przypisaną im funkcję. Jedyną gwarancją uzyskania takich parametrów
pracy jest stosowanie nowoczesnych układów automatycznego sterowania, posiadających opisane w niniejszym artykule
cechy. Właściwe zastosowane predykcyjne układy sterownia
to nie tylko wygoda i spełnienie oczekiwań uczestników procesu inwestycyjnego i wymagań nadzoru, ale przede wszystkim rzeczywisty wysoki stopień bezpieczeństwa pożarowego budynków wysokich. 
3/2012