Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МОДЕЛЬЮ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ УСТАНОВКИ НОВОСИБИРСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА

Ледовских А.В. 1 Старжинская В.С. 1 Бахвалова А.В. 1 Гурова Е.Г. 1 Макаров С.В. 1
1 Новосибирский государственный технический университет
Рассматривается проблема эффективности и конструктивного совершенства системы вентиляции в Новосибирском метрополитене. В настоящий момент контроль микроклимата осуществляется по психрометрам и анализам проб воздуха, отбираемого на станциях, для определения в лабораторных условиях содержания углекислоты и пыли. Это сложно и малоэффективно. К тому же не всегда можно принять оперативные меры в случаях отклонения от нормы параметров воздуха. Использование управляемой вентиляции открывает новые возможности для решения этих проблем. Отсюда следует повышение оперативности, точности и качества измерений, уменьшение трудоемкости их выполнения, появление возможности автоматической поддержки определенного режима вентиляции, который, экономно затрачивая электроэнергию и трудовые ресурсы, обеспечит установленные параметры качества воздуха. Для совершенствования алгоритмов управления станционными и перегонными вентиляторами разработана микропроцессорная система управления в модели вентиляционной установки.
вентиляция
энергоэффективность
широтно-импульсная модуляция
алгоритм управления вентиляторами.
1. Цодиков, В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов [Текст]. – М. : Издательство «Недра», 1968. – 408 с.
2. Красюк, А.М. Тоннельная вентиляция метрополитенов [Текст]. – Новосибирск. : Наука, 2006. – 164 с.
3. Попов, В.П. Системы вентиляции и кондиционирования воздуха [Текст]. – Л. : 1970. – 476 с.
4. СНиП 32-02-203: Метрополитены [Текст]. – Введ. 2004-01-01. – М. ; Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. – 36 с.
5. Красюк, А. М. Особенности управления микроклиматом метрополитенов в условиях Западной Сибири [Текст]. /А.М. Красюк, Н.Н.Петров, Н.Л.Фрейдлин. Организация систем воздухообмена, контроля и управления микроклиматом, управление режимами вентиляции в экстремальных условиях в тоннелях и на станциях метрополитена: материалы конф. Хозяйственной ассоциации «Метро». – СПб. : 1997. – с. 21 – 28.
6. Фомичев, В. И. Вентиляция тоннелей и подземных сооружений [Текст]. – Л. : Стройиздат. Ленингр. отделение, 1991. – 200с.

Метрополитен является наиболее совершенным и важнейшим видом городского транспорта, который способен справляться с высокой интенсивностью пассажиропотока, как никакой другой вид городского транспорта. Эксплуатационные показатели метрополитена в значительной степени зависят от эффективности и конструктивного совершенства его системы вентиляции и теплоснабжения, на которые существенное влияние оказывают как частота движения поездов на линии, так и метеорологические и гидрологические условия города. [1]

Состояние воздушной среды влияет на самочувствие пассажиров, здоровье и работоспособность обслуживающего персонала, а также на сохранность технического оборудования. Это обуславливает повышение требования к теплоснабжению и в особенности к вентиляции. [2]

В составе чистого атмосферного воздуха содержится кислород, азот, ар­гон, углекислый газ и в очень небольших коли­чествах неон, гелий, криптон, ксенон и водород. Как правило, только значительные изменения этого соста­ва могут оказаться опасными для человека. Например, самочувствие человека может ухудшиться при содер­жании кислорода в воздухе менее 17% и более 23% или при увеличении содержания углекислого газа до 1%. При этом значение имеет не только ко­личество в воздухе того или иного составляющего, но и время пребывания человека в образовавшейся газо­вой среде, т. е. чем меньше человек находится в среде воздуха, имеющего, например, завышенный процент углекислого газа, тем меньше он ощущает эти изменения [3]. Человек посто­янно пополняет количество углекислого газа в вагоне, вдыхая с воздухом 0,03 – 0,05 % его, а выдыхая в 100 раз больше.

В соответствии с санитарными нормами концентра­ция углекислого газа не должна превышать 20 мг/м3 [4]. При большей, чем указано в нормативах, концентра­ции углекислого газа у людей может наступить потеря сознания, поэтому в главную задачу вентиляции входит не допус­тить опасных для человека концентраций вредных газов.

Также определяющее влияние на самочувствие человека имеют метеорологические фак­торы: температура, относительная влажность, баромет­рическое давление и подвижность воздуха.

Для станций и вестибюлей метрополитена характер­но наличие значительных площадей холодных поверх­ностей, ограждающих конструкции (стен), и высоких скоростей воздушных потоков, возникающих из-за поршневого воздействия поездов. В этой связи обслу­живающий персонал и пассажиры ощущают практиче­ски не ту температуру, которую показывает термометр, а несколько меньшую, называемую эффективно-эквива­лентной, т. е. когда усиливается отдача тепла от чело­века к холодным стенам (экранам) и отдача конвекцией путем интенсивного «смывания» воздухом, а также когда скорость воздуха превышает 4 м/с, человек испы­тывает более низкую температуру, чем показывает тер­мометр, и неприятные ощущения. Защитой от таких явлений для обслуживающего персонала может служить специальная одежда, укрытия в виде кабин, а также помещения, оборудованные промышленными телевизи­онными установками, позволяющими персоналу нахо­диться в местах, удобных для работы, и видеть все происходящее на станции на экране.

Так как пассажиры находятся на станциях, в наклон­ных ходах эскалаторов и других сооружениях метропо­литена незначительное время, на них указанные выше факторы особого влияния не оказывают.

Более серьезные задачи перед вентиляцией возника­ют в теплый, особенно в жаркий период года. При тем­пературе окружающего воздуха, примерно равной тем­пературе человеческого тела, и относительной влажно­сти около 100% нарушается нормальная отдача тепла организмом, вследствие чего температура человеческо­го тела повышается. В этом случае у человека может наступить состояние теплового удара. [5]

Задачей вентиляции станций и тоннелей является не только поддержание в местах пребывания пассажиров и обслуживающего персонала заданных метеорологиче­ских условий и химического состава воздуха, удовлет­воряющих гигиеническим требованиям, но и создание необходимых режимов проветривания при нарушении нормальной работы устройств метрополитена и задым­лении.

В метрополитенах, как правило, предусматривается удаление с воздухом из сооружений на поверхность скапливающихся теплоты, влаги, газов и подача свежего воздуха в сооружения. Организация различных схем дви­жения воздушных потоков с учетом технологии работы метрополитена (движение поездов, пассажиропотоки по времени суток и направ­лениям, состояние воздушной среды на поверх­ности, исправная работа вентиляционных агрегатов, квалифицированное обслуживание вентиляционных уст­ройств, четкая система управления и диспетчерского контроля) является основой осуществления вентиляции станций и тоннелей. [6]

Исходя из вышесказанного, задачами вентиляционной системы являются:

–       подача требуемого количества воздуха для обеспечения нормативного температурного режима на станциях в зимнее и летнее время, а также удаление вредных выделений в атмосферу (пыль, газ, бактериальная флора и т. д.).

–            обеспечение комфортных аэродинамических условий для пассажиров и работников метрополитена, которые определяются притоком свежего воздуха, его температурой и скоростью движения в местах скопления людей.

–            локализация развития аварийных вентиляционных режимов (пожар) и оперативное удаление продуктов горения по безопасным для людей маршрутам.

Для изучения систем управления вентиляцией метрополитена была разработана адекватная физическая модель, выполненная в форме односводчатой станции метрополитена (рисунок 1) в численном масштабе 1:50.  

 

Рисунок 1. Общий вид лабораторного стенда

Модель (лабораторный стенд) системы автоматизированного управления проветриванием шахт (САУПШ) состоит из физической модели и математической модели. Интерфейс пользователя САУПШ позволяет имитировать процессы воздухораспределения и метановыделение в вентиляционной сети. Математическая модель состоит из узлов и ветвей, которые имеют свои параметры, такие, как сопротивление, координатное расположение в окне приложения. Потоки чистого или загрязненного воздуха имитируется красными или синими векторами. Приблизительное значение объёма воздуха поступающего в элемент вентиляционной сети, отображается толщиной вектора. Математическая модель имеет шесть точек, с которых снимаются показания, имитируя датчики расхода воздуха и метана. Каждому датчику соответствует свой график. Так же имеется график мощности ВГП, где передаваемое значение измеряется в кубических дециметрах в секунду.

При разработке были проанализированы и смоделированы такие компоненты работы вентиляции метрополитена, как микроклимат на станции, поршневой эффект при движении поездов, адекватность в работе станционных и перегонных вентиляторов, а также, обработка полученных данных различных показателей, таких как: температура, влажность, содержание углекислого газа. Вентиляторы, отвечающие за поддержание климатических условий комфортных для организма человека на станции метрополитена, должны обеспечивать оптимальные значения данных показателей.

Для регулирования скорости вращения станционных и перегонных вентиляторов, моделируемых в лабораторном стенде, на базе микроконтроллера разработана система управления. Изменение скорости вращения вентиляторов производится по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Данный принцип позволяет производить управление в ключевом режиме, что повышает кпд системы, сохраняя при этом возможность плавного управления скоростью вращения.

Для подключения вентиляторов к микроконтроллеру разработана схема драйвера, представленная на рисунке 2. Драйвер в составе системы управления выполняет функции согласования сигналов и обеспечивает качественное управление вентиляторами.

Рисунок 2. Микропроцессорный модуль управления вентиляторами

Блок-схема алгоритма управления представлена на рисунке 3. Алгоритм обеспечивает плавное увеличение и снижение скорости вращения вентиляторами, моделирование поршневого эффекта на станции.

Рисунок 3. Алгоритм программы запуска и регулирования скорости вращения вентиляторов

Разработанный лабораторный комплекс позволяет исследовать различные режимы и законы управления тоннельными и станционными вентиляторами для обеспечения заданных показателей эффективности работы системы.

 

Рецензенты:

Аносов В.Н., д.т.н., проф., зав. кафедрой Электропривода и автоматизации промышленных установок Новосибирского государственного технического университета, г.Новосибирск;       

Алиферов А.И., д.т.н., проф., зав. кафедрой Автоматизированных электротехнологических установок Новосибирского государственного технического университета, г. Новосибирск.


Библиографическая ссылка

Ледовских А.В., Старжинская В.С., Бахвалова А.В., Гурова Е.Г., Макаров С.В. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МОДЕЛЬЮ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ УСТАНОВКИ НОВОСИБИРСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=16703 (дата обращения: 09.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074