Wybrane problemy w kontekście prowadzenia prób odbiorowych.

Kalibracja instalacji różnicowania ciśnienia
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, montażowych 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.


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 zmieniać 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 biegunów (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:
- 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),
- 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.

Autorzy: Robert Zapała - inżynier automatyk w firmie wentylacyjnej, Maciej Szumski - doktorant Instytutu Automatyki WEiTI Politechnika Warszawska

Artykuł opublikowany w nr 3/2012 miesięcznika Chłodnictwo & Klimatyzacja



Źródło: Chłodnictwo&Klimatyzacja