Mieszkanie i ogrzewanie: ASHRAE i inni

 Mieszkanie i ogrzewanie: ASHRAE i inni

 Sprawnosc systemu rozpowszechniania swiezej informacji nauko – techniczno – technologicznej  ma duze znaczenie dla zdrowego wzrostu gospodarczego.
 Goniace w XIX wieku Zachod Stany Zjednoczone a po nich Niemcy i Japonia w ogole nie przejmowali sie cudzymi patentami. Po przyswojeniu cudzej wiedzy i technologii rozwijali ja az uczen przerosl mistrza. Wydane w II Rzeszy ksiazki techniczne byly na bardzo dobrym poziomie. "Goniacy" liderow technologii musi miec czesc systemow sprawniejszych niz lider.
Niestety proces przyswojenia i rozwoju cudzej technologii nie powiodl sie w ZSRR i krajach RWPG. Przypadki dogonienia Zachodu sa w swiecie bardzo rzadkie. Z reguly kraj goni, goni, goni i w koncu ma ciezki kryzys i musi porzucic marzenia i wziac sie do metodycznej pracy na dekady.
Mozliwe ze teraz uda sie to Korei Poludniowej.
Powstajaca III Rzesza miala najlepszych fizykow w swiecie i inzynierow I klasy. To glupota wodzow sprawila ze Niemcy nie zbudowali broni jadrowej.
Nauka i technologia rozwijaja sie ewolucyjnie.
W produkcji mikroelektroniki szeroko uzywa sie techniki prozniowej. Technika prozniowa byla niezle rozwinieta na Zachodzie i m.in. stad dosc latwo podjeto tam produkcje diod, tranzystorow a potem ukladow scalonych. W mikroelektronice nasze zapoznienie jest najswiezszej daty. Gdy w USA masowo produkowano juz calkiem skomplikowane uklady scalone a w Polsce nie potrafiono nawet uruchomic trwialnej produkcji tranzystorow krzemowych a prymitywne tranzystory germanowe byly smieszne, zdecydowano pokatnie kupic technologie mikroelektroniczna od Francji  i od ZSRR ( tranzystory BF519-521 to radziecki KT315 choc w innej obudowie ). Ani Francja ani ZSRR liderami mikroelektroniki nigdy nie byli ale byli jednak o wiele silniejsi w technologii od nas. Maski do prostych ukladow scalonych kupilismy tez od japonskiego Sanyo. Niestety nasze CEMI nie bylo i nie jest w stanie tej technologi rozwijac. Gdy w 1978 roku definitywnie zakrecono kurek z dolarami rozwoj polskiej mikroelektroniki stanal w miejscu.
Idea masowego kredytowego zakupu zachodniej technologii mialo byc jej uzycie razem z tania polska sila robocza co mialo dac wyprodukowany towar eksportowy w akceptowanej cenie. Nic z tego nie wyszlo. Cenzura miala nie dopuszczac informacji o zakupach zakladow i licencji. Ale smutna prawda jest taka ze wszystko co w Polsce jest w miare technologicznie nowoczesne kupiono na Zachodzie.
 
 Jak wygladalo rozpowszechnianie wiedzy ilustruje nam: Holland-Merten , "Hanbuch Der Vakuumtechnik" Halle ( Salle ) 1953.
Pierwsze wydanie ksiazki bylo w 1936, drugie w 1949 a trzecie w 1953 roku. Objetosc 836  stron duzego formatu plus na koniec aktualne w dacie wydania materialy informacyjne – reklamowe  firm produkujacych urzadzenia prozniowe. Autorami czesci teoretycznej sa profesorowie zwiazani z przemyslem. Mnostwo rysunkow i zdjec konkretnych urzadzen z nazwa producenta. Potezna ilosc aktualnej wiedzy.
Zjednoczone przez Prusy Niemcy szeroko czerpiac amerykanskie wzory rozwojowe szybko rozwijaly i modernizowaly opoźniona gospodarke. Wydawano wysoce kompetentne poradniki szczegolowo omawiajace stan rozwoju roznych technik nie przejmujac sie obcymi ale tez i niemieckimi patentami. Ta edukacja techniczna wysokiej proby miala spore znaczenie w szybkim rozwoju Niemiec. Na jakiej zasadzie ksiazke „niemieckich” autorow ( w przedmowie podano ze Niemcy po 1945 roku sa politycznie podzielone ale konsekwentnie sa to Niemcy i nie ma mowy o dwoch panstwach Niemieckich  ) wydano w podzielonych na NRF i NRD Niemczech dokladnie nie wiadomo. Niemcy Zachodnie pomagaja NRD jak tylko moga a radzieckim tez nie zalezy na tym zeby nauke – technologie NRD odcinac od Zachodu  Nie jest tajemnica ze technologie mikroelektroniczna NRD ma od swoich zachodnich braci. USA przymyka na to oko. Postep w mikroelektronice NRD jest ogromny bo  uznano to za dzial priorytetowy gospodarki. Ale i tak generalnie NRD nie daje sobie rady w gospodarce co dowodzi wadliwosci despotycznego systemu nakazowo – rozdzielczego.

Rozpowszechnianie wiedzy zapobiega m.in. wywazaniu otwartych drzwi i marnowaniu ludzkiej pracy.
Upowszechnienie zastosowan tranzystora bez oporow zaszlo w koncernach a szersze grono trzeba bylo zainspirowac kompetentnymi ksiazkami o ich zastosowaniach. Gdy Intel i Motorola przygotowaly produkcje mikroprocesorow mialy swiadomosc tego ze zupelnie nowy wyrob musi ktos kupic a wczesniej zrobic opracowanie z nimi.  Czolowe koncerny dostaly systemy uruchomieniowe oraz organizowano kursy programowania.
 
Urzadzenia i branza HVAC ( Heating, Ventilation, Air Conditioning) to Ogrzewanie, Wentylacja i Klimatyzacja.  
Zalozone w 1894 roku ASHRAE ( American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers ) czyli Amerykanskie Stowarzyszenie Inzynierow Ogrzewnictwa, Chlodnictwa i Klimatyzacji, szerzy wiedze i informacje o HVAC i chlodnictwie. HVAC to calkiem duzy segment gospodarki. ASHRAE dziala w blisko 90 krajach. Na podstawie prac badawczych ASHRAE opracowuje i publikuje swoje standardy. Organizuje spotkania, szkolenia i prezentacje techniczne. Wydawnictwa ASHRAE sa kompetentne i warte polecenia ale dotycza przez wszystkim wszelkich systemow USA i  przykladowo uzywane sa w nich amerykanskie jednostki miar wymagajace przeliczenia.
Napiecia dystrybucyjne w sieciach energetycznych USA wynosza  - 2300, 4160, 7200, 12470 V - sa kompletnie rozne niz uzywane w Polsce i inna jest budowa systemu przesylowo - dystrybucyjnego. Przykladowo duzy silnik elektryczny pompy jest w amerykanskim projekcie na napiecie 2300 V. Trudno to odniesc do polskiej praktyki. Blizsze naszym realiom sa srednie i male systemy na napiecie 277/480 V. Inne sa tez realia ekonomiczne - "Coal, as a fuel for small-scale applications, becomes less common over time... While coal as a fuel is relatively inexpensive, the mechanisms for fuel transport and firing and ash handling drive the overall owning and operating cost above that for natural gas. Pollution constraints are also costly." Nawet w sredniej mocy instalacjach wegiel wyszedl z uzytku  bowiem sumujac wszelkie koszty operacyjne gaz ziemny jest tanszy. Tanszy jest tez olej opalowy.
W kolejnosci szlachetnosci paliw sa: wysuszone odchody zwierzat, chrust, drewno, torf, lupki bitumiczne, wegiel brunatny, wegiel kamienny, ropa naftowa, gaz ziemny, paliwo nuklearne. Zatem dochodowi PC krajow odpowiada szlachetnosc paliw.  

Na rysunku ( z materialow ASHRAE )  pokazano nieskomplikowane sterowanie procesem "przygotowania powietrza" w budynku.

W wysokich budynkach w dlugimi szybami szybkich wind zachodzi koniecznosc eliminacji wywolywanego ruchem efektu kominowego.  Na rysunku ( z materialow ASHRAE )  pokazano odpowiedni system kontrolny eliminujacy zwiazane z tym uciazliwosci.

Juz podstawowy nowoczesny system sterowania kotla jest dosc zlozony a podsystemy moga byc bardziej skomplikowane do lepszej regulacji. Optymalizacja systemu cieplnego kotla  energetycznego i turbiny  jest procesowana do dawna i nie ma temu konca, bowiem zadanie nie jest latwe do jednoznacznego rozwiazania. Wszystkie kotly polskich blokow energetycznych od mocy 200 MWe wlacznie sa licencyjne !

Zwrocmy uwage ze symbol graficzny na schemacie ma sie nijak do ceny danej funkcjonalnosci a ceny urzadzen sa bardzo zroznicowane. Iloraz cen roznych sensorow przekracza 10 razy. 

Automatyzowane procesy dzieli sie na ciagle, wsadowe i dyskretne. Regulowane procesy ciagle sa typu inercyjnego, calkujacego i niestabilne. Energetyka nalezy do grupy procesow ciaglych i najczesciej organem wykonawczym jest  zawor lub urzadzenie  podobne do regulacji strumienia masy lub energii.  Idealnym rozwiazaniem jest tu do napedu organu wykonawczego silnik
asynchroniczny sterowany przez regulator krokowy.

Produkowane przez swiatowe koncerny systemy automatyki analogowej a obecnie cyfrowej sa uniwersalne jak w przykladowym systemie jednego z koncernow dedykowanym do:
–Chemical and mineral oil industries
–Power plant
–Iron and steel industry
–Ceramic industry
–Paper and cellulose industries
–Water preparation
–Sewage treatment
–Air purification
–Food industry.

Szeroko omawiane sa na tysiacach stron wydawnictw firmowych i ksiazek typowe rozwiazania systemow i pod-systemow sterowania i regulacji:
-Sterowanie mieszaniem i regulacja stosunku
-Sterowanie i optymalizacja kotlow o roznej mocy w wielu wariantach
-Sterowanie i optymalizacja w HVAC w wielu wariantach
-Sterowanie wirowek w systemach ciaglych i wsadowych
-Sterowanie  reaktorow chemicznych w najmniej 10 odmianach
-Sterowanie i optymalizacja chlodnic chlodziw
-Sterowanie i optymalizacja  wiez chlodniczych
-Sterowanie instalacji czystych pomieszczen
-Sterowanie i optymalizacja kompresorow
-Sterowanie krystalizatorow
-Sterowanie podstawowe i zaawansowane destylatorow w wielu odmianach do roznych branz
-Sterowanie  suszarek
-Sterowanie wyparek
-Sterowanie ekstruderow
-Sterowanie wentylatorow
-Sterowanie piecow i reformerow
-Sterowanie wymiennikow ciepla, kondensatorow i odparowaczy,
-Sterowanie systemow z gazami obojetnymi
-Sterowanie procesem Redox ( sensory dla reakcji ORP - Oxidation Reduction Potential )
-Sterowanie pH procesow
-Sterowanie elektrowni z kogeneracja
-Sterowanie elektrowni wodnych i pompowo - szczytowych
-Sterowanie walcarek
-Sterowanie separatorow
-Sterowanie turbin parowych
-Sterowanie turbin spalinowych
-Sterowanie oczyszczaniem sciekow
-Sterowanie uzdatnianiem wody
-Sterowanie podziemnych magazynow gazu
-Sterowanie urzadzen prozniowych

Oczywiscie wszystkie maszyny i urzadzenia procesu musza byc odpowiednie do danego rozwiazania.
W wielu wymienionych obszarach mozna stosowac regulatory krokowe.
Uzyte slowo "sterowanie" ma tu podwojne znczenie. Raz jako ( czesto programowa ) zmiana wartosci zadanej dla petli regulacji ciaglej a dwa jako sterowanie logiczne PLC.
W Polsce ewidentnie brakuje opaslych publikacji ze schematami typowych zautomatyzowanych instalacji.
Dzieki tej wiedzy standardowe projekty – rozwiazania sa trywialne i inzynierowie moga sie przylozyc do nowych trudniejszych waskich gardel nowych innowacyjnych instalacji produkcyjnych. 

Poniewaz popularyzuja sie rozne programy symulacyjne krazy coraz wiecej plikow – przykladow symulacji obiektow ze sterowaniem i regulacja. 

Siemens jest poteznym narodowym koncernem elektrotechnicznym  Zachodnich Niemiec ale Siemnes tajnie pomaga wschodnim braciom z NRD.  Siemens na licencji Intela produkuje kluczowe uklady do komputerow PC XT/AT. NRF ma potezny i bardzo nowoczesny przemysl i eksport. Poczatkowo USA chcialy zlikwidowac niemieckie koncerny i mocno cofnac Niemcy w rozwoju aby juz nigdy nikomu nie zagrazaly ale po rozpoczeciu Zimnej Wojny potrzebne byly im silne gospodarczo i militarnie Niemcy jako praktycznie jedyny pewny "sojusznik" ( USA formalnie okupuje Niemcy ) w mozliwej wojnie na kontynencie.
W systemie regulatorow panelowo - modulowych TELEPERM C podstawowym regulatorem jest regulator krokowy, szczegolnie z rozbudowana logika pozwalajaca na zdalna ingerencje, co jest konieczne w rozbudowanych systemach. Oczywiscie programowy regulator krokowy jest rownie wazny w nowszych systemach cyfrowych. Podobnie jest z innymi wiodacymi swiatowymi koncernami.
Mimo iz od lat regulator krokowy ( step controller )  jest wazny a byc moze najwazniejszy, w  polskich podrecznikach akademickich a nawet publikacjach naukowych nie ma o nim ani jednego slowa co swiadczy o mocnym oderwaniu od rzeczywistosci:
"Podstawy automatyki", S. Wegrzyn,  PWN 1978 , 508 stron duzego formatu
"Zbior zadan z teorii nieliniowych ukladow regulacji i sterowania " Praca zbiorowa,  WNT 1981, 420 stron duzego formatu
"Laboratorium teorii sterowania", Praca zbiorowa, Politechnika Szczecinska 1981...
Wykaz mozna mocno powiekszyc ale wybrano pozycje na wysokim poziomie. Nic dziwnego ze wiele a moze wiekszosc osob kabaretowo uwaza ze regulator krokowy to regulator z wykonawczym silnikiem krokowym albo z niczym tego nie kojarzy.
Oczywiscie regulacja trojstanowa jest omawiana ale to przeciez jest dopiero przedsionek do regulatora krokowego.

 Z. Trybalski w "Urzadzenia i uklady automatycznej regulacji", PWN 1980, w kilku miejscach omawia schematy blokowe ( nie ma niestety schematu elektronicznego ) realizacji regulatorow krokowych koncernow ale zadnej podstawy teoretycznej tam nie ma, bowiem ksiazka jest na niespotykanie wysokim poziomie. To byl poziom swiatowy. Docent Trybalski latami realnie zajmowal sie automatyzacja procesow chemicznych i cieplnych, takze za granica. Wyklady byly  ceniony przez studentow. Prowadzacy ogromna ilosc prac magisterskich i doktorskich. Znakomite sa tez  “Zasady automatyki, informatyki i inzynierii systemow dla chemikow”, PWN  tom I,  1984,  tom II  1985.

Polska jak inne opoznione kraje rozwija sie imitacyjnie i kupowala od zawsze techologie za granica. W ubieglej dekadzie zakupiono wiele kompletnych obiektow ale informacje o tym cenzurowano. Za pozyczone 1.8 mld frankow a wiec koszmarnie drogo zakupiono zaklad chemiczny Police 2 pod Szczecinem.
Informacje o zastosowanych nowoczesnych rozwiazaniach winny byc szeroko publikowane i omawiane a sa ... ceznurowane. Dobrze to przystaje do roli Polakow jako taniej sily roboczej w calym zamierzeniu kredytowym.   

Regulator krokowy moze byc zarowno analogowy jak i cyfrowy czyli programowy.
W zalaczeniu schematy ideowe regulatorow ( takze wbudowanych w urzadzenia ! ) krokowych koncernow:
-Dwa firmy Siemens. Panelowo - modulowy Teleperm C i samodzielny  Teleperm 20
-ASEA wbudowany  w system energetyczny 
-Raytheon wbudowany w autopilota
-Krajowy regulator ARK-21
-Meramont KT-70M, odrysowany
-Cieplowniczy CO produkcji  NRD R-302
Dalej w zalaczeniu sa takze :
-Schemat blokowy oraz psedokod programowego regulatora krokowego.
-Schematy roznych zachodnich wezlow cieplnych z CO + CWU

 Regulatory te i inne sa omowione w osobnych dokumentach. Trudno jest cos zarzucic regulatorom zachodnich koncernow ale przestarzale krajowe regulatory ARK-21 i KT-70M maja tak wiele bledow ze sa nieporozumieniem.
Zaskakujaco skomplikowany jest pseudokod programu regulatora krokowego PI/PID ale tez regulator krokowy Siemensa z logika do sterowania nie jest prosty.
Malo racjonalny przerzutnik trojpolozeniowy zastosowany w regulatorze ARK-21 jest chroniony patentem ( Z.Olejnik, K.Szulc, Uklad przerzutnika trojpolozeniowego, Patent 103179, Instytut Komputerowych Systemow Automatyki i Pomiarow, Wroclaw )