Дослідження автоматизованих систем підтримки вентиляції приміщень

Сидоров, Василь Сергійович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6417

Title:	Дослідження автоматизованих систем підтримки вентиляції приміщень
Authors:	Нечипоренко, Ольга Володимирівна Сидоров, Василь Сергійович
Issue Date:	Jan-2024
Abstract:	В результаті виконання кваліфікаційної роботи була удосконалена система автоматичного керування вентиляцією з використанням інструментарію Digital Twin. За період дослідження було проаналізовано концепцію Digital Twin та запропоновано основні рішення для автоматизації систем вентиляції. Проаналізовано різні підходи до побудови моделі вентиляційної системи, що включає в себе нагрівальні, охолоджувальні агрегати та камери. Також була вдосконалена каскадна система управління системою вентиляції, яка дозволяє вибрати налаштування, що забезпечують необхідну якість управління для досягнення необхідної температури в приміщенні та ефективності роботи обладнання. Оптимальні налаштування визначалися за допомогою інтегрального показника якості, який мінімізує вплив керування з використанням модульних критеріїв якості та пропорційно-інтегральних законів керування для забезпечення оптимального перехідного процесу. Крім того, було проаналізовано високорівневе програмне забезпечення для системи автоматизації на основі системи диспетчерського контролю та збору даних Desigo Insight. Ця система відповідає вимогам сертифікації GMP і забезпечує зручний перегляд інформації про систему вентиляції, включаючи температуру припливного і витяжного каналів, тиск фільтрів очищення повітря та інші показники. Крім того, був розроблений цифровий проект-близнюк для систем вентиляції. Пояснено ідею проєкту, проведено технічний аудит та проаналізовано потенціал для впровадження на ринку. Майбутні дослідження в галузі автоматизованих систем підтримки вентиляції приміщень могли б включати в себе наступні напрямки. Акцент на енергоефективності, включаючи вивчення альтернативних джерел енергії та розвиток енергозберігаючих технологій. Дослідження стійкості систем до зовнішніх впливів, таких як екстремальні погодні умови. Розробка гнучких та адаптивних систем вентиляції для ефективного пристосування до змін у виробничих умовах. Нарешті, важливим є розгляд інтеграції систем вентиляції з екосистемою, щоб створити більш ефективне та екологічно чисте середовище.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6417
Appears in Collections:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
М_151_2023_Сидоров.pdf Restricted Access		3 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеню «магістр»

на тему: Дослідження автоматизованих систем підтримки вентиляції
приміщень

Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу,
групи МАКІТ-2209
спеціальності 151 Автоматизація та
комп’ютерно-інтегровані технології,
освітня програма «Автоматизація
комп’ютерно-інтегровані системи та
компоненти»
Сидоров В.С.
(Прізвище ім’я по-батькові)

Керівник Нечипоренко О.В.
(Прізвище ім’я по-батькові)

Рецензент
(Прізвище ім’я по-батькові)

Черкаси 2023 року
2
ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ........................................................................ 3
ВСТУП ......................................................................................................................... 4
РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ СИСТЕМИ ВЕНТИЛЯЦІЇ ПРИМІЩЕНЬ............................... 7
1.1. Огляд технології систем вентиляції ............................................................... 7
1.2. Характеристики автоматизованих систем вентиляції ................................ 16
1.3. Основні характеристики технології цифрового двійника ......................... 25
1.4. Аналіз інструментарію цифрового двійника щодо вентиляційної системи
................................................................................................................................. 28
Висновки до розділу 1 .......................................................................................... 29
РОЗДІЛ 2 МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМИ ВЕНТИЛЯЦІЇ З ВИТЯЖКОЮ
ПРИПЛИВНОГО ПОВІТРЯ..................................................................................... 31
2.1. Аналітичний аналіз математичних моделей ............................................... 31
2.2. Розгляд технологічної схеми вентиляції та її параметрична ідентифікація
................................................................................................................................. 36
2.3. Ідентифікація параметрів моделі вентиляційної системи ......................... 40
2.4. Динаміка вентиляційної системи WRFPV2V .............................................. 44
Висновки до розділу 2 .......................................................................................... 50
РОЗДІЛ 3 АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ
ВЕНТИЛЯЦІЙНОЮ СИСТЕМОЮ ........................................................................ 51
3.1. Визначення концепції регулювання температури в приміщенні .............. 51
3.2. Розрахунок стабілізуючих регуляторів ........................................................ 54
3.3. Розрахунок каскадної системи керування ................................................... 57
3.4. Впровадження цифрового двійника у систему керування вентиляційною
системою ................................................................................................................ 61
Висновки до розділу 3 .......................................................................................... 70
ВИСНОВКИ ............................................................................................................... 72
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ................................................................. 74
3
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

BMS – Building Management System
SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition
АЕП – Автоматизований електричний привод
АСК – Автоматична система керування
АЦП – Аналого-цифровий перетворювач
ГЕН – Графік електричного навантаження
ЕМС – Електромеханічна система
ККД – Коефіцієнт корисної дії
ОК – Об’єкт керування
ПВСВ – Припливно-витяжна система вентиляції
ПЗ – Програмне забезпечення
ПІ-регулятор – Пропорційно-інтегральний регулятор
ПЛК – Програмно-логічний контролер
СВіК – Система вентиляції і кондиціонування
ШІП – Широтно-імпульсний перетворювач
4
ВСТУП

Актуальність.
Актуальність дослідження систем підтримки вентиляції приміщень
обумовлена різноманітністю та зростаючою складністю сучасних систем
вентиляції, які використовуються для забезпечення оптимальних умов у
приміщеннях. З урахуванням постійних змін у вимогах до якості повітря, безпеки
та енергоефективності, дослідження цих автоматизованих систем стає ключовим
завданням. Високий рівень комфорту, забезпечення здоров'я працівників і
мешканців, а також дотримання нормативів екологічної безпеки стають
важливими аспектами, які вимагають подальшого вдосконалення та оптимізації
автоматизованих систем вентиляції.
У сучасному світі важливу роль у забезпеченні населення якісними та
безпечними продуктами відіграє промисловість. Системи вентиляції приміщень
необхідні для забезпечення контрольованих умов довкілля, запобігання
забрудненню та забезпечення безпеки продукції. Ці системи сприяють не лише
комфорту працівників, але й виконують ключову роль у виробництві якісної
продукції, функціонуючи як допоміжна система основного технологічного
процесу.
Зростаючі вимоги до якості, ефективності та відповідності нормативним
вимогам вимагають використання нових технологій та підходів. Однак інновації
в галузі супроводжуються такими викликами, як дотримання нормативних
вимог, якість і безпека продукції та управління ризиками. Тим не менш, цифрова
трансформація відіграє важливу роль у вдосконаленні галузі. Використання
нових цифрових технологій, таких як цифрові двійники, відкриває нові
можливості для оптимізації виробничих процесів, контролю якості та управління
ризиками. Цифрові двійники для систем внутрішньої вентиляції мають великий
потенціал як передові інструменти прийняття рішень та аналізу даних, засновані
на зборі даних в режимі реального часу. Оскільки ці цифрові двійники не
5
підпадають під регуляторні вимоги, вони дають можливість тестувати зміни та
аналізувати ризики в максимально наближених до реальних умовах без шкоди
для продуктивності або фінансових показників.
Мета роботи – дослідження системи автоматизації для вентиляції
приміщень з використанням інструментів цифрового двійника.
Досягнення поставленої мети дослідження призвело до необхідності
вирішення таких теоретичних, методологічних та практичних завдань:
− аналіз існуючих моделей для вентиляційних систем;
− побудова цифрової моделі-двійника з використанням тенденцій
реальних систем вентиляції;
− удосконалення інформаційної системи мікроклімату в приміщенні з
використанням цифрових елементів-двійників.
Об’єкт дослідження – процес циркуляції повітря в системах підтримки
вентиляції приміщень.
Предмет дослідження – автоматизовані системи підтримки вентиляції
приміщень.
Методи дослідження. Використані в роботі методи дослідження
ґрунтуються на підходах аналізу при формуванні моделі системи вентиляції та
методах ідентифікації параметрів динамічних систем. У теоретичній частині
досліджень використовувалися методи прикладної математики, імітаційного
моделювання та сучасної теорії автоматичного керування.
Наукова новизна отриманих результатів полягає у створенні системи
автоматизації для вентиляції приміщення. Основні внески роботи визначаються
наступним чином:
− проаналізовано побудову автоматизованих систем GMP-критичної
системи вентиляції;
− удосконалено інформаційну систему приміщення за допомогою
використання інструментарію цифрового двійника;
− удосконалено автоматизовану систему керування вентиляційною
системою приміщення та внесені зміни до схеми регулювання.
6
Практичне значення отриманих результатів Практичне значення
питань, що розглядаються в даному дослідженні, полягає в тому, що інженери та
фахівці з інновацій зможуть приймати більш ефективні рішення щодо
вдосконалення системи на основі розробленої моделі вентиляційної системи.
Крім того, цей інструмент може бути використаний для аналізу продуктивності
системи в різних умовах навколишнього середовища. Це дослідження є основою
для дискусії про використання різних методів для створення цифрового двійника
критично важливої для GMP системи.
Апробація результатів роботи. Результати кваліфікаційної роботи
доповідалися й обговорювалися на науковій конференції:
− «Сучасні методи, інформаційне, програмне та технічне забезпечення
систем керування організаційно-технічними та технологічними
комплексами»: Тези доповідей десятої міжнародної науково-технічної
internet-конференції: (24 листопада 2023 р., Київ), 2023. – С. 152.
Публікації. Результати досліджень опубліковані в:
1. Енергоефективні методи передачі даних між IoT-пристроями в системі
розумного будинку / О. В. Нечипоренко, М. С. Прудько, В. С. Сидоров
// «Сучасні методи, інформаційне, програмне та технічне забезпечення
систем керування організаційно-технічними та технологічними
комплексами»: Тези доповідей десятої міжнародної науково-технічної
internet-конференції: (24 листопада 2023 р., Київ), 2023. – С. 152.
Структура та обсяг кваліфікаційної роботи. Кваліфікаційна робота
складається із списку умовних скорочень, вступу, трьох розділів, висновку та
списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи складає 80 сторінок,
47 рисунків та 7 таблиць. Список джерел містить 51 найменування.
7
РОЗДІЛ 1
АНАЛІЗ СИСТЕМИ ВЕНТИЛЯЦІЇ ПРИМІЩЕНЬ

1.1. Огляд технології систем вентиляції
Системи вентиляції та кондиціонування (СВіК) в промисловості
відповідають не лише за забезпечення комфорту працівників у приміщенні, але
також є важливими для виготовлення високоякісної продукції, виконуючи роль
допоміжних систем для основного технологічного процесу на виробництві. На
підприємствах фармацевтичної, біохімічної або харчової галузі, якість повітря та
його відповідність встановленим стандартам впливають на якість виробленої
продукції.
Внутрішні системи СВіК мають унікальні характеристики, зумовлені
необхідністю відповідати високим стандартам якості продукції. Важливим
аспектом є дизайн чистих приміщень, де чисті приміщення класифікуються
відповідно до кількості та розміру частинок, що допускаються на кубічний метр
повітря.
Загалом, характеристики функціональності системи СВіК найбільш
очевидні при встановленні в чистому приміщенні, де основною метою є
забезпечення оптимальної якості повітря (таблиця 1.1).
Таблиця 1.1.
Параметри оптимального повітря.
Параметр Рівень
Вологість 30-60%
Рівень чистоти повітря Клас чистоти: ISO 4-8 або EU GСP A-B
Швидкість потоку повітря 0.35-0.6 м/с
Температура 21-24°C
Рівень CO2 Менше 950 ppm

8
Для забезпечення чистоти повітря у приміщеннях СВіК повинні
відповідати специфічним вимогам, що стосуються фільтрації повітря, швидкості
обміну повітря та перепаду тиску, з метою запобігання забрудненню. Розглянемо
основні види фільтрів:
− Вугільні фільтри.
− Високоефективні повітряні фільтри (HEPA).
− Багаторазові фільтри.
− Фільтри попереднього очищення.
HEPA-фільтри є важливим компонентом систем фільтрації, що широко
використовуються в індустрії HVAC, і призначені для уловлювання і видалення
частинок розміром менше 0,3 мікрона з ефективністю 99,97% або вище. HEPA-
фільтри уловлюють і видаляють бактерії, віруси, пил і пилок, ефективно
видаляють інші тверді частинки та інші забруднювачі, що знаходяться в повітрі.

Рис. 1.1. Діаграма високоефективного повітряного фільтру (HEPA)
9
Фільтри попереднього очищення встановлюються перед
високоефективними повітряними фільтрами (HEPA) з метою усунення великих
часток, таких як пил і сміття, з повітря. Ці попередні фільтри, захоплюючи більші
частинки, сприяють подовженню терміну служби фільтрів HEPA та підвищенню
їхньої загальної ефективності, оскільки фільтри HEPA спрямовані на очищення
повітря від дрібних частинок.
Фільтри з активованим вугіллям (рис. 1.2), додатково до фільтрів HEPA,
широко використовуються в системах вентиляції приміщень для усунення
запахів, газів і летких органічних сполук (ЛОС) з повітря. Ці фільтри включають
активоване вугілля з великою поверхнею, яка здатна адсорбувати та утримувати
різноманітні хімічні забруднення. Особливістю є те, що ці фільтри ефективно
усувають не лише запахи, але й ЛОС, і тому вони встановлюються практично у
всіх системах вентиляції чистих приміщень.

Рис. 1.2. Вугільний фільтр

Миючі (багаторазові) фільтри - це типи фільтрів, які можна мити або
чистити, щоб видалити накопичені частинки. Використання таких фільтрів у
промислових системах СВіК є більш економічно вигідним, ніж одноразові
10
фільтри, і часто використовується там, де присутні великі частинки або де
повітряний потік є відносно чистим.
На рисунку 1.1.3 показано загальну схему фільтрації повітря в системах
СВіК для чистих приміщень. Повітря проходить через попередній фільтр,
багаторазовий фільтр, вугільний фільтр і, нарешті, HEPA-фільтр.

Рис. 1.3. Схематичне зображення системи фільтрації повітря, що складається з
ряду послідовно розташованих фільтрів

Також важливо відзначити, що, крім фільтрації повітря на вході, у
системах вентиляції для приміщень іноді встановлюють фільтри на виході з
приміщення, залежно від виду виробництва чи зберігання продукції. Наприклад,
це може стосуватися приміщень, де ведеться робота з алергенами, вірусами та
гормональними препаратами.
Ще одним засобом забезпечення чистоти приміщення є контроль тиску.
Згідно зі стандартом DIN EN ISO 14644-3 [1], необхідно перевіряти різницю
тиску між чистим приміщенням та зонами для персоналу та матеріалів, іншими
чистими приміщеннями різних класів чистоти, а також зовнішнім середовищем.
Також проводиться контроль тиску на фільтрах. Різниця тиску встановлюється
між різними зонами з метою контролю напрямку потоку повітря. Регулювання
різниці тиску між сусідніми зонами здійснюється таким чином, щоб забезпечити
потік повітря від більш чистих зон до менш чистих. Це заважає розповсюдженню
забруднення та допомагає зберегти бажаний рівень чистоти в кожній зоні.
11
Контроль тиску включає позитивний і негативний тиск. Позитивний тиск
використовується для запобігання потраплянню забрудненого повітря з менш
чистих зон у контрольоване середовище. Це запобігає можливому витоку з
чистого приміщення в зовнішнє середовище і мінімізує ризик забруднення.
Від'ємний тиск використовується для того, щоб ізолювати певні зони, наприклад,
складські приміщення або зони роботи з небезпечними матеріалами, від решти
території.
Приклад різниці тиску в різних частинах чистого приміщення
представлено на рис. 1.4:

Рис. 1.4. Ілюстрація відмінності тиску в окремих сегментах приміщення

Організація технічного управління тиском у приміщеннях може включати
різні методи. Один із підходів полягає в використанні заслінок та блоків змінного
об’єму повітря (VAV). Заслінки використовуються для регулювання та контролю
повітряного потоку в системах вентиляції, і їх можна адаптувати для обмеження
або дозволу на потік повітря, забезпечуючи контроль різниці тиску. Блоки VAV
обладнані регульованими заслінками, які можна модулювати для регулювання
потоку повітря в конкретних зонах. Керуючи положенням заслінок або блоків
12
VAV, можна впливати на різницю тиску (див. рис. 1.5). Цей процес управління
відбувається незалежно від основної системи вентиляції.

Рис. 1.5. Схема блоку змінного об’єму повітря

Додатковим аспектом у системах вентиляції та кондиціонування (СВіК)
промисловості є високі вимоги до підтвердження якості повітря. Для цього
підприємства встановлюють окремі системи контролю якості повітря, такі як
LMS Lighthouse. Основна мета цих систем - слідкувати за відповідністю повітря
нормам якості відповідно до класу чистоти приміщення та реєструвати факти
забруднення повітря.
Важливо відзначити, що системи контролю часток не втручаються у
процес управління чистотою повітря; вони лише надають сигнали про ступінь
чистоти приміщення. Другими словами, чисті приміщення будуються з
урахуванням чистоти за замовчуванням і розглядаються такими, поки LMS
Lighthouse не виявить порушення чистоти.
Виявлення низької якості повітря вже є надзвичайною ситуацією. При
спрацюванні сигналізації системи LMS Lighthouse щодо забруднення повітря,
приміщення вважається забрудненим і стає непридатним для роботи персоналу
та виробництва продукції. Продукція, що вже виготовлена, списується, а та, яка
вийшла до цього, може бути вилучена з ринку для проведення досліджень і
підтвердження відповідності якості. Доповнює цю ситуацію екстрене
13
розслідування події. Ці інциденти є настільки рідкі, що протягом майже століття
існування компанії жодного разу не виникали.
Звісно, такі події виявляються дуже відчутно для підприємства. Окрім
регулювання та підтримання чистоти засобами, розглянутими вище, також
існують регламентовані правила щодо користування чистими приміщеннями.
Весь персонал, що працює в таких приміщеннях, проходить відповідне навчання,
а також забезпечується засобами безпеки у вигляді спеціальної уніформи та ін.
Система припливно-витяжної вентиляції з використанням
рекуперації.
Вентиляційна система повітря функціонує так, що певна частина повітря,
відібрана з приміщення, комбінується із зовнішнім холодним повітрям,
піддається процесу нагрівання, або охолодження, і подається назад у
приміщення.

Рис 1.6. Принципи функціонування системи вентиляції

Застосування такої системи можливе лише в тому випадку, якщо повітря,
яке повертається з приміщення, не містить небезпечних речовин і токсичних
14
домішок [2], що вигадує її експлуатацію. Крім того, обсяг зовнішнього повітря в
цьому процесі повинен відповідати всім санітарно-гігієнічним стандартам і не
може бути менше встановленого значення для конкретного типу приміщення
(табл. 1.1.). Схему такої системи можна побачити на рис. 1.6.
Система також може бути задіяна в процесі очищення повітря.
Вимірювання рівня забруднення в приміщенні іноді буває проблематичним через
нерівномірний розподіл повітря та складність встановлення датчиків. Тому іноді
вимірювання проводять у вихідному повітропроводі, де потік повітря
знаходиться приблизно на тому ж рівні забруднення. Якщо забруднення зростає,
повітря в приміщенні можна додатково "розбавити", збільшивши швидкість
циркуляції та пропускаючи очищене повітря через інший фільтр. Таким чином,
більше відпрацьованого повітря повертається в систему після проходження через
мікрофільтр.

Рис. 1.7. Топології рекуператорів

Рекуператор – це теплообмінник поверхневого типу, який нагріває
основний потік, використовуючи теплову енергію від зовнішнього джерела. У
15
теплообміннику теплообмін відбувається безперервно через теплообмінну
стінку, що розділяє теплоносії. Рекуператори, на відміну від регенераторів,
характеризуються тим, що шлях потоку теплоносія не змінюється.
Рекуператори класифікуються відповідно до відносного потоку
теплоносія, наприклад, протитечія, перехресний потік і прямий потік. Вони
також відрізняються за конструкцією, наприклад, трубчасті, пластинчасті або
ребристі, як показано на рисунку 1.7.
Важливо також зазначити, що ефективність рекуператорів залежить від
їхньої топології [3].
У системах вентиляції та кондиціонування основною функцією
рекуператорів є утилізація та повторне використання енергії, яка зазвичай
втрачається під час вентиляції. Схема такої системи показана на рисунку 1.8.

Рис. 1.8. Система вентиляції з рекуператором
16
Рекуператори в системах вентиляції та кондиціонування повітря в
приміщеннях мають переваги, оскільки вони не змішують повітря, а отже, не
мають обмежень у регулюванні. Це означає, що для таких систем можна вибрати
будь-яку технологію рекуператора. Що ще важливіше, оскільки рекуператори
мають широкий спектр технологій, при проектуванні системи можна вибрати
найбільш підходяще технічне обладнання. Однак таке розмаїття створює свої
проблеми, оскільки рекуператори складніші в обслуговуванні, ніж клапани,
незважаючи на їхню залежність від конкретної технології рекуператора.
Існують певні тенденції у підході до встановлення рекуператорів. Аналіз
систем компанії показує, що в системах, встановлених до 2014 року, оскільки
вона є простішою та економічно вигіднішою порівняно з рекуператорами. Однак
у 2018-2019 роках компанія все більше покладалася на використання
рекуператорів через тенденцію до енергоефективності та раціонального
управління тепловими ресурсами. Пластинчасті рекуператори спочатку були
популярними, але поступово були витіснені етиленгліколевими рекуператорами.
Основна відмінність рекуператорів від циркуляторів полягає в тому, що
повітря в рекуператорі не змішується. Це дозволяє використовувати їх у
приміщеннях, де циркуляція неможлива.

1.2. Характеристики автоматизованих систем вентиляції
Вимоги GMP та їх критичність
Належна виробнича практика (Good Manufacturing Practice, GMP) [4] - це
стандарт якості, який встановлює вимоги до виробництва фармацевтичних
препаратів, харчових добавок та косметики. Стандарт встановлює правила і
норми для забезпечення безпеки та якості продукції, що виробляється в галузі.
Вимоги GMP охоплюють всі аспекти фармацевтичного виробництва, від
проектування та будівництва об'єктів до контролю якості та документування
виробничого процесу; дотримання вимог GMP допомагає забезпечити високу
якість продукції, запобігти виробничим дефектам, знизити ризики для здоров'я
споживачів та забезпечити відповідність нормативним вимогам. Важливість
17
вимог GMP для галузі важко переоцінити. По-перше, ці вимоги встановлені на
законодавчому рівні в багатьох країнах і їх дотримання є обов'язковим для
виробництва фармацевтичної продукції. Невиконання цих вимог може призвести
до вилучення продукції з ринку, штрафів та інших юридичних дій. З іншого боку,
оскільки сертифікація є обов'язковою для виходу на європейський ринок,
дотримання цих вимог може суттєво сприяти розвитку компанії. Така
сертифікація необхідна для успішного виведення продукції на міжнародний
ринок і є каталізатором зростання компанії та її прибутків.
Таким чином, відповідність вимогам GMP є невід'ємним елементом
фармацевтичного виробничого процесу, забезпечуючи безпеку та якість
продукції, а також довіру споживачів і дотримання законодавства. Крім того,
відповідність вимогам GMP знижує виробничі витрати завдяки ефективному
контролю процесу та мінімізації відходів. Відповідність GMP також може бути
важливим фактором успіху виробника на ринку, оскільки вона є дуже вигідною
для виходу на ці ринки і забезпечує виробникам високу репутацію та довіру
споживачів. Багато споживачів визнають цей стандарт як показник якості та
безпечності продукції.
Загальні вимоги GMP включають, серед іншого, вимоги до приміщень та
обладнання, контроль якості сировини та готової продукції, документацію
виробничого процесу та кваліфікацію персоналу. Крім того.
Вимоги GMP також включають дотримання нормативних документів, у
тому числі міжнародних стандартів, таких як стандарти Міжнародної організації
зі стандартизації (ISO). Ці вимоги мають безпосередній вплив на формування
операцій, які автоматизують систему. Наприклад, системи вентиляції чистих
приміщень, незалежно від класу чистоти (див. нижче), повинні бути обладнані
лічильниками часток для перевірки чистоти повітря. Таким чином, через
специфіку галузі не можна ігнорувати дотримання вимог GMP. Крім того, ці
вимоги поширюються на всі етапи виробництва, включаючи комп'ютеризовані
системи, такі як автоматизовані системи виробництва та зберігання будь-якої
продукції.
18
Поняття комп'ютеризованих систем за GAMP-5
GAMP-5 (Good Automated Manufacturing Practice) [5] - це міжнародний
стандарт, який визначає рекомендації та вимоги до розробки та експлуатації
комп'ютеризованих систем, що використовуються у фармацевтичній та
біотехнологічній промисловості.
Згідно з визначенням GAMP-5, комп'ютеризована система - це система, яка
включає комп'ютерне обладнання, програмне забезпечення та процедури, що
забезпечують належну роботу.
GAMP-5 класифікує комп'ютеризовані системи на чотири категорії:
Категорія 1 – Інфраструктура. Сюди входять платформи, які підтримують
комп'ютерні програми, та елементи, необхідні для управління інформаційно-
технологічним середовищем, такі як операційні системи, брандмауери та
антивіруси. Вони не підлягають перевірці.
Категорія 2 – неконфігуроване програмне забезпечення. це програмне
забезпечення, яке не має функцій налаштування і є або вільно доступним, або
вбудованим в апаратне забезпечення, що гарантує його роботу. Приклади:
інструменти статистичних розрахунків, неконфігуроване програмне
забезпечення для збору даних. Таке програмне забезпечення не підлягає
верифікації.
Категорія 3 – програмне забезпечення, що налаштовується. Ці системи
забезпечують виконання конкретних бізнес-процесів і мають параметри для
роботи, вимірювання та контролю. Наприклад, ERP (планування ресурсів
підприємства), LIMS (система управління лабораторіями), електронні таблиці.
Ця категорія підлягає обов'язковій верифікації.
Категорія 4 – Спеціальні або індивідуальні програмні засоби, створені для
конкретних потреб організації. Сюди входять власні кастомні системи,
спрямовані на оптимізацію процесів, ERP-системи або їх розробку. Такі системи
підлягають повній валідації та вимагають великої валідаційної документації.
Відповідно до GAMP-5, розробка та експлуатація комп'ютеризованих систем
19
повинна відповідати принципам життєвого циклу розробки системи (SDLC). Цей
цикл включає наступні етапи:
• планування та визначення вимог
• розробка та проектування
• розробка та тестування програмного забезпечення
• верифікація та валідація
• експлуатація
• підтримка

Рис. 1.9 Етапи циклу будь-якої комп'ютеризованої системи відповідно до
GAMP-5

Можна зробити висновок, що життєвий цикл є безперервним, і після
завершення будь-якого етапу неможливо повернутися назад і внести зміни. Це
призводить до проблем з простежуваністю щодо дати підписання (закінчення)
документа про верифікацію. Оскільки вентиляційні системи належать до
категорії 4, обсяг верифікаційних документів є великим, і кожен документ має
дату затвердження. У наступному розділі пропонується вирішити цю проблему
за допомогою інструментарію Digital Twin Toolkit.
20
Слід також зазначити, що GAMP-5 визначає та рекомендує вимоги до
якості та безпеки комп'ютеризованих систем. Зокрема, GAMP-5 вимагає, щоб
комп'ютеризовані системи розроблялися і використовувалися відповідно до
вимог захисту даних, були стійкими до вторгнення, аудиту і моніторингу, а
також були адекватно і ретельно задокументовані. Однак ці аспекти валідації не
розглядаються в цій статті.
GAMP-5 та процес внесення змін у комп’ютеризовані системи. V-
модель
Процедура внесення змін до комп'ютеризованої системи відповідає
стандартній V-моделі життєвого циклу розробки програмного забезпечення. Цей
процес складається з декількох етапів (рис. 1.10):
• Визначення змін: На цьому етапі чітко визначаються зміни, які
необхідно внести до комп'ютеризованої системи. Це часто критичний
етап планування, і доцільність змін може бути оцінена за допомогою
різних програмних засобів, таких як кіберфізичне моделювання
системи або процесу. Наприклад, у випадку з вентиляційними
системами цей етап може передбачати використання цифрового
двійника для визначення параметрів нової системи або внесення змін
(для модернізації) в існуючу систему;
• Оцінка впливу: На цьому етапі визначається, як впровадження змін
вплине на систему, процеси та вимоги безпеки. Спочатку проводиться
аналіз ризиків із залученням різних експертів. Наприклад, у цьому
аналізі можуть брати участь керівники підприємства, інженери з
автоматизації, інженери з верифікації та представники інших
структурних підрозділів, на які впливають зміни або нова система;
• Розробка тестів: на цьому етапі розробляються тести для перевірки
правильності роботи комп'ютеризованої системи. Тести безпосередньо
пов'язані з вимогами користувачів, і їх характер може відрізнятися в
різних системах. Наприклад, системи категорії 3 можуть вимагати
індивідуальних тестів на встановлення (IQ), експлуатаційних тестів
21
(OQ), кваліфікаційних тестів або тестів на продуктивність (PQ), тоді як
системи категорії 4, включаючи автоматизовані системи та
програмовані контролери, можуть вимагати більшої кількості тестів в
узагальненому вигляді;
• Проведення випробувань: на цьому етапі проводяться, оцінюються та
документуються випробування;
• Затвердження змін: на цьому етапі зміни затверджуються та
підтверджуються на відповідність вимогам безпеки та ефективності;
• Впровадження змін: на цьому етапі вносяться зміни до
комп'ютеризованої системи та проводяться випробування, щоб
переконатися, що зміни є правильними.

Рис. 1.10. Процес внесення змін у системи за V-моделлю

Всі фази повинні відповідати вимогам GAMP-5, що охоплюють різні
аспекти комп'ютеризованих систем, такі як управління проектами, розробка
програмного забезпечення, верифікація тощо. Зверніть увагу, що V-модель є
невід'ємною частиною життєвого циклу системи і повинна бути послідовною і
22
безперервною. Важливо зазначити, що V-модель є невід'ємною частиною
життєвого циклу системи і повинна бути послідовною і безперервною.
При внесенні змін до комп'ютеризованої системи дуже важливо
дотримуватися вимог GAMP-5 для забезпечення безпеки та ефективності
системи. Розробка програмного забезпечення повинна відповідати вимогам
GAMP-5, що передбачає використання процесів розробки для забезпечення
високої якості програмного забезпечення. Іншим важливим елементом є
верифікація, яка встановлює вимоги до верифікації комп'ютеризованих систем,
включаючи верифікацію на основі оцінки ризиків, тестування та документування
результатів. Слід зазначити, що GAMP-5 є лише настановою, і компанії, які
прагнуть отримати сертифікацію, можуть відхилятися від цих вимог,
впроваджуючи власні методи перевірки, які відрізняються від GAMP-5, але
відповідають вимогам GMP.
Загалом, відповідність GAMP-5 є ключовим фактором для забезпечення
якості, ефективності та безпеки комп'ютеризованих систем у галузі. Процес
внесення змін до комп'ютеризованої системи повинен включати етапи
визначення зміни, оцінки її впливу, розробки тестів, проведення випробувань,
валідації зміни та впровадження зміни, дотримуючись V-моделі та враховуючи
вимоги GAMP-5. У наступному розділі пропонуються шляхи вдосконалення
процесу валідації з використанням цифрового двійника.
Аналіз переваг та недоліків методології GAMP-5
Стандарт GAMP-5, який був підданий випробуванням впродовж багатьох
років, має як позитивні аспекти, так і часто визначені як обмеження. В даному
розділі ми розглянемо переваги та недоліки GAMP-5 в контексті таблиці 1.2.
Як видно з викладеного переліку, підхід GAMP-5 володіє як перевагами,
так і недоліками. Використання інструментарію цифрового двійника має
значний потенціал для подолання цих недоліків, або, як мінімум, для їхнього
поліпшення. Наприклад, витрати на тестування становлять від 30 до 60 відсотків
від загальних витрат протягом життєвого циклу, залежно від критичності та
складності продукту, а також обсягу потрібної документації [6].
23

Таблиця 1.2.
Переваги та недоліки GAMP-5
Переваги Недоліки
Універсальність і гнучкість Складність та витрати на
впровадження
Велика кількість документації при
Покращення безпеки тестуванні
Спрощення процесу валідації Обмеження на використання нових
технологій
Стандартизація в проектуванні та
розробці Потреба у фахівцях для реалізації
Сприяння зменшенню ризиків Обмеження свободи розробки

Для вирішення цієї проблеми формальна структура специфікацій,
запропонована О. Наумчевим, є варіантом спрощення та автоматизації процесу
вилучення та формалізації цифрових специфікацій-двійників. Ця структура
дозволяє витягувати та формалізувати специфікації з документів на природній
мові (неформальній або напівформальній мові).
На основі цих формалізованих специфікацій можна автоматизувати
подальші етапи валідації. На рисунку 1.11 показано схему процесу. Отримання
цифрового двійника на ранній стадії дозволяє виявити помилки в системі. Крім
того, в цій статті представлено симуляцію, спрямовану на реалізацію формальної
верифікації та валідації [7].
Крім того, на етапі впровадження можна використовувати просту логічну
модель для відстеження дати закриття валідаційних документів та віртуального
моніторингу документів за допомогою V-моделі для перевірки їхньої цілісності.
Такий підхід не змінює загальну кількість необхідних документів, але спрощує
управління даними та покращує відстеження. Це, в свою чергу, полегшує роботу
відділу забезпечення якості під час аудиту та полегшує роботу аудиторів.
Основою для реалізації такої моделі можна вважати діаграму Ганта [8]. Діаграми
Ганта автоматично генеруються програмним забезпеченням відповідно до дати
затвердження документа. Як інший приклад, цифровий двійник окремих
24
технічних пристроїв може бути використаний для моделювання відсутніх
компонентів з метою покращення процесу заміни існуючої системи.

Рис. 1.11. Структура схема формальної специфікації

Якщо фізичні активи недоступні, оскільки вони ще не побудовані або
рішення про їх придбання ще не прийнято, для тестування використовуються
цифрові двійники. Для віртуального введення в експлуатацію Ayani M. та ін. [9]
використовували зворотний інжиніринг для створення цифрового двійника, який
можна використовувати для розробки та верифікації. Віртуальне введення в
експлуатацію здійснюється шляхом перевірки та валідації системи за допомогою
моделей, де інженери виконують тести в імітованому середовищі. Особливо
ефективним є віртуальне приймальне тестування (VFAT). Цей підхід, який
розширює цифровий двійник з імітацією несправностей для реалізації сценаріїв
віртуального введення в експлуатацію, також був запропонований в області
25
роботизованих виробничих осередків Таваресом та ін. [10] і розширений Ораве
та ін. [11].
Крім того, цифрові двійники мають важливу перевагу - масштабованість.
Масштабованість є важливою характеристикою системи, мережі або процесу і
вказує на здатність ефективно обробляти зростаючі робочі навантаження або
легко масштабуватися [12]. У випадку з цифровими двійниками масштабованість
проявляється в тому, що одного разу створена кіберфізична симуляція процесу
може бути використана багаторазово для подібних, але не ідентичних систем. Це
вирішує проблему необхідності залучення великої кількості експертів для
аналізу змін, що впроваджуються, і в той же час підвищує якість прийняття
рішень.
Таким чином, використання інструментарію Digital Twin Toolkit на різних
операційних рівнях і в різних частинах системи значно покращує підхід
GAMP-5.

1.3. Основні характеристики технології цифрового двійника
Концепція цифрового двійника виникла в 2002 році на презентації
Мічиганського університету, присвяченій створенню центру управління
життєвим циклом продукту (PLM). Спочатку концепція використовувалася в
курсі PLM для менеджерів Мічиганського університету і називалася "модель
дзеркального простору". Вона також згадується в статті Грівза 2005 року і в книзі
PLM 2006 року "Управління життєвим циклом продукту: рушійна сила
наступного покоління економічного мислення".
Технологія цифрових двійників (DT) - це метод створення віртуальних
копій реальних об'єктів і систем. Це дозволяє моделювати, відстежувати та
контролювати процеси в режимі реального часу. Цей підхід широко
використовується в Індустрії 4.0 та інших галузях, де потрібен точний контроль
і прогнозування.
Цифровий двійник (ЦД) – це концепція та технологічний підхід, що
передбачає створення віртуального відображення реального об'єкта чи системи
26
в цифровому просторі. Центральна ідея Цифрового двійника полягає в створенні
цифрової копії фізичного об'єкта, яка точно відтворює його структуру, стан,
характеристики та параметри.
Цифровий двійник включає три основні компоненти: фізичну реальність
(реальний об'єкт чи система), віртуальне середовище (цифрова модель, яка імітує
роботу фізичного об'єкта) та взаємозв'язки для обміну інформацією. Останні
забезпечують обмін даними між фізичним об'єктом та його цифровим
представленням.
Основний принцип технології Цифрового двійника полягає в постійному
оновленні цифрової моделі в реальному часі на основі даних, зібраних з датчиків
та інших джерел. Ця технологія знаходить широке застосування в індустрії 4.0
та інших галузях, де потрібне точне керування.

Рис. 1.12. Компоненти цифрового двійника

Цифрові двійники можуть відображати не лише статичні властивості
об'єктів, але й їхню динамічну поведінку, історичні дані та контекст
функціонування, що робить їх ефективним інструментом для управління різними
об'єктами та системами в реальному світі. Цифровий двійник - це віртуальне
представлення фізичної системи, яке оновлюється завдяки обміну інформацією
між фізичною та віртуальною системами. Він має три основні компоненти:
фізична реальність, віртуальне середовище, що імітує фізичні процеси, і
27
взаємозв'язки для обміну інформацією. Структурна схема кіберфізичної системи
(КФС) показана на рисунку 1.12. Основна ідея технології цифрових двійників
(DT) полягає у створенні цифрової моделі, яка точно відображає всі властивості
та параметри об'єкта.
Ця модель регулярно оновлюється в режимі реального часу,
використовуючи дані, зібрані з різних датчиків та інших джерел, щоб відтворити
реальний стан об'єкта.
Процес, який визначає технологію цифрових двійників, включає наступні
етапи
• Збір даних: цифровий двійник отримує дані з датчиків та інших джерел,
які відображають стан реального об'єкта.
• Створення цифрової моделі: на основі зібраних даних створюється
цифрова модель, яка відтворює всі параметри реального об'єкта.
• Інтеграція даних: цифрова модель безперервно поповнюється даними,
зібраними з реального об'єкта.
• Моніторинг та аналіз: цифровий двійник забезпечує можливість
моніторингу та аналізу стану реального об'єкта в режимі реального
часу.
• Управління: прийняття рішень та управління процесами на реальних
об'єктах відбувається на основі аналізу даних та стану цифрової моделі.
Технологія цифрових двійників виконує різні завдання, такі як віртуальне
моделювання, моніторинг та діагностика стану об'єктів, оптимізація операцій,
планування та прогнозування роботи об'єктів за різних умов, а також підтримка
рішень та операцій життєвого циклу. Загалом, технологія цифрових двійників є
важливим інструментом для точного та ефективного управління різними
об'єктами та системами, що функціонують у реальному світі. Цифровий двійник
не лише моделює систему, але й забезпечує динамічний та інтерактивний
віртуальний аналог, який відображає поведінку та характеристики фізичного
об'єкта в режимі реального часу.

28
1.4. Аналіз інструментарію цифрового двійника щодо вентиляційної
системи
Створення цифрового двійника передбачає процес створення віртуальних
копій усіх аспектів діяльності підприємства, включаючи виробництво,
складський облік і логістику. Це дозволяє створити повністю інтегровану
систему, яка дає змогу точніше прогнозувати і контролювати виробничі та
управлінські процеси, що призводить до підвищення ефективності та зменшення
втрат.
Організаційне середовище виробничого підприємства зазвичай має чотири
рівні (бізнес, використання, експлуатація та застосування), які враховують різні
точки зору зацікавлених сторін. У випадку з вентиляційними системами
прикладами таких зацікавлених сторін є група контролю та управління якістю,
інженери, проектувальники систем та команда технічного обслуговування.
Команда з контролю та управління якістю може використовувати
цифрового двійника для моніторингу продуктивності установки та виявлення
потенційних проблем. Інженери та системні дизайнери можуть моделювати та
тестувати різні сценарії, перш ніж вносити зміни в реальну систему. Команди
технічного обслуговування можуть використовувати цифровий двійник
технічного обладнання для більш ефективного виконання технічного
обслуговування.
Кожна з цих перспектив має на меті використовувати функціональну
модель цифрового двійника відповідно до своїх конкретних потреб, беручи до
уваги комплексну функціональність цифрового двійника.
Обговорення перспектив використання технології цифрових двійників
(DT) на ринку систем автоматичного управління (АСУ) включає кілька важливих
міркувань:
• Підвищення ефективності та точності виробництва: ЦД можуть
забезпечити більш точне прогнозування і контроль виробничих
процесів за рахунок створення детальних цифрових копій процесів і
обладнання, що дозволяє підвищити ефективність і знизити втрати
29
• Підвищення безпеки та якості: Оцифрування можна використовувати
для створення точних цифрових копій обладнання та процесів,
покращуючи якість виробництва та фармацевтичну безпеку.
Можливості моніторингу в режимі реального часу дозволяють швидко
виявляти та вирішувати проблеми.
• Покращення процесів складування та дистрибуції Використання
цифрових даних дозволяє створювати точні цифрові копії складських
приміщень та систем дистрибуції лікарських засобів, підвищуючи
точність і швидкість обробки замовлень та зменшуючи кількість
відходів.
• Скорочення часу від початку досліджень до запуску продукту:
технологія цифрових даних дозволяє створювати цифрові копії
процесів дослідження та тестування продукту, скорочуючи час від
дослідження до виходу на ринок і підвищуючи
конкурентоспроможність компанії
• Потенціал використання віртуальної реальності та інноваційних
технологій: центри обробки даних можна використовувати для
створення віртуальних моделей процесів та обладнання, що створює
можливості для навчання персоналу та віртуального тестування нових
продуктів.
Узагальнюючи, технологія Цифрового Двійника обіцяє значний вплив на
ринок АСУ, сприяючи підвищенню продуктивності, точності, безпеки та якості
виробництва, а також прискоренню процесів від дослідження до випуску
продукту та використанню інноваційних технологій.

Висновки до розділу 1
На підставі проведеного аналізу системи вентиляції приміщень можна
зробити наступні висновки. Система вентиляції демонструє високу ефективність
у забезпеченні необхідного рівня обміну повітря в приміщеннях, забезпечуючи
комфорт та здоров'я працівників.
30
Елементи моніторингу та аналізу стану повітря в системі дозволяють в
реальному часі відстежувати якість повітря, що є ключовим аспектом для
стеження за здоров'ям працівників та оптимізації робочого середовища.
Додавання цифрових технологій та систем моніторингу є технологічною
інновацією, що сприяє підвищенню ефективності та автоматизації управління
системою вентиляції.
Загалом, система вентиляції відповідає вимогам сучасних стандартів та є
ключовим елементом для забезпечення здоров'я та комфорту працівників у
відповідних приміщеннях.
31
РОЗДІЛ 2
МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМИ ВЕНТИЛЯЦІЇ З ВИТЯЖКОЮ
ПРИПЛИВНОГО ПОВІТРЯ

2.1. Аналітичний аналіз математичних моделей
У цьому розділі надано огляд кількох моделей для системи вентиляції
приміщень, обладнаних калорифером для нагріву та охолоджувачем, які
використовуються для забезпечення необхідної температури. Спочатку
розглянемо динамічну модель, розроблену для моделювання процесів
теплообміну у калорифері, яку описали дослідники у своїй статті [15]. У цьому
дослідженні використовується аналітична модель з концентрованими
параметрами. Схема розрахунку водяного калорифера представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Розрахункова схема калорифера
32
GW(t) представляє собою витрату гріючого теплоносія (води), θW0(t) –
температуру теплоносія на вході в калорифер, n вказує на кількість трубок
калорифера, а Н – їхня довжина. θM(t) позначає усереднену температуру трубок
теплообмінника після їх нагрівання теплоносієм. GA(t) представляє витрату
повітря, яке проходить через трубки калорифера, і θA0(t) та θA(t) – вхідну та
вихідну температури повітря відповідно. L, C, H вказують на геометричні
розміри теплообмінника: його глибину, ширину та висоту. В роботі отримано
таку кінцеву формулу:

Модель охолоджувача буде виглядати аналогічно через спільну фізику
процесів, які відбуваються в цьому технічному обладнанні. Модель приміщення,
яка досліджується у науковій роботі [16], подається дослідниками у подібній
формі до [15]:

На основі цих рівнянь була отримана структурна схема взаємодії
динамічних процесів, яка представлена на рис. 2.2. Зазначено, що на вихідну
температуру �������� впливають наступні параметри:
• ������������ – температура повітря;
• ������������ – витрата повітря;
• ������������ – температура води;
• ������������ – витрата води.
Два результативних параметри, а саме �������� (вихідна температура повітря) та
�������� (вихідна витрата повітря), визначаються наступними впливами.
33

Рис. 2.2. Структура впливів динамічних елементів

Параметри моделі подальше визначено аналітичним методом і
представлені наступним чином:

w1 представляє передаточну функцію калориферу нагріву, а w2 –
охолоджувача. Як видно, ці передаточні функції виявляються складними та
громіздкими. Автори дослідження застосували апроксимацію перехідних
характеристик аперіодичною ланкою другого порядку, що призвело до вигляду
передаточних функцій калорифера та охолоджувача таким чином:

Відмінність ілюстрована на графіках 2.3 та 2.4 (відповідно для нагрівача та
охолоджувача).
34

Рис. 2.3. Перехідні процеси калориферу

Рис. 2.4. Перехідні процеси охолоджувача

Як видно з графіків, результати майже ідентичні. Сильною стороною
моделі є те, що вона враховує значну кількість технічних процесів одночасно, що
свідчить про її потенційну точність. Недоліком підходу, використаного в цій
роботі, є те, що параметри моделі розраховуються аналітично, що вимагає
значної кількості часу для збору даних. Крім того, ця інформація часто
варіюється від системи до системи і, в цілому, підхід є досить трудомістким
процесом.
35
Розглянемо інший підхід до визначення передатної функції систем
вентиляції: В [17] розроблено цифрову модель системи вентиляції з нагрівально-
охолоджувальними калориферами. Модель приміщення в цій роботі базується на
наступних диференціальних рівняннях:

У даній роботі, крім регулювання температури, особлива увага
приділяється керуванню тиском у приміщенні за допомогою клапанів зі змінною
продуктивністю (VAV), а також використанню предиктивного контролю
системи.
Модель розраховується шляхом використання методів нелінійного
програмування, використовуючи експериментальні дані, отримані з обладнання.
Результати дослідження, з яких можна зробити висновок про успішність моделі,
представлені на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Результати предиктивного контролю за нелінійною моделлю
36
Перевагою цієї моделі є висока точність прогнозного керування та повне
охоплення всієї системи вентиляції. Модель є нелінійною і для її розрахунку
використовуються методи нелінійного програмування. Особливістю такого
підходу є те, що він вимагає високого рівня технічних знань в області нелінійного
програмування, що може збільшити вартість впровадження такої системи.
Недоліком також є великий обсяг спеціалізованих знань, необхідних для
розрахунків, наприклад, теплового навантаження вентиляційних шахт та
теплової потужності технічного обладнання. Обсяг і специфіка цієї інформації
вхідних даних може значно ускладнити процес впровадження моделі.

2.2. Розгляд технологічної схеми вентиляції та її параметрична
ідентифікація
У розділі 1 були розглянуті основні технології вентиляції, де основними
засобами регулювання температури повітря та підтримання її на необхідному
рівні є теплообмінники, такі як нагрівачі та охолоджувачі, призначені для
нагрівання та охолодження повітря відповідно. Тому ці елементи мають ключове
значення і їх динамічні характеристики потребують вивчення. Оскільки вони
взаємопов'язані, математичне моделювання обладнання буде однаковим для
обох процесів. У цьому розділі описано процес отримання математичної моделі,
з якої можна вивести динамічні характеристики заданого технологічного
пристрою.
Розглянемо блок-схему, зображену на рисунку 2.6, для дослідження
впливу керування та збурень на систему припливно-витяжної вентиляції
(СПВВ). 2.6.
На цій схемі показані основні структурні компоненти системи обробки
повітря: К – калорифер, О – охолоджувач, П – приміщення, КЦ – камера
циркуляції, трубопроводи. Для регулювання температури в приміщенні
використовуються два контури регулювання: перший працює взимку і служить
для нагрівання повітря і виконується калорифером опалювального приладу.
Другий – для охолодження влітку і використовує кулер.
37

Рис. 2.6. Технологічна схема вентиляційної системи

Розклавши цю технічну схему на окремі елементи, можна отримати
розширену параметричну схему системи вентиляції [22].

Рис. 2.7. Розгорнута параметрична схема ПВСВ із рецеркуляцією

На даній схемі подано докладну інформацію про весь технічний
обладнання, а також можна відслідковувати вплив кожного обладнання на
кінцеві процеси. Діаграма також включає зв'язки між кожним технічним засобом
та проміжними ланками, такими як повітропровід.
38
Проведемо технологічний аналіз. Керуючий вплив калорифера нагріву –
це температура води. Це обумовлено тим, що між входом і виходом калорифера
є 3-х ходовий клапан, і витрата циркуляції теплоносія в калорифері завжди
однакова. Однак зміна положення клапану змінює температуру теплоносія, що
подається в калорифер. Цей вплив відображено на схемі перехідною функцією
W1k, а також видно, що калорифер має ще одну складову – передаточну функцію
W2k.
Отже, при урахуванні технічних особливостей цієї системи стає очевидно,
що до того, як повітря потрапляє в приміщення від калорифера, існують
щонайменше два аспекти – повітропровід та охолоджувач. Навіть якщо
охолоджувач не використовується разом із калорифером нагріву, він взаємодіє з
системою, поглинаючи невелику частину енергії (тепла).
У випадку охолоджувача керуючий вплив – це витрата води. В управлінні
використовується звичайний 1-ходовий клапан, тож при регулюванні змінюється
саме витрата холодної води. Проте аналогічно можна вбачити, що на
охолоджувач впливають не лише витрата води, але і технічні аспекти, також
приміщення, трубопровід та теплове навантаження.

Рис. 2.8. Структурна схема температури в приміщенні
39

Розгорнута параметрична схема, яка представлена на рис. 2.7, може бути
агрегована та спрощена до структурної схеми, поданої на рис. 2.8. Ця схема
вказує на те, що температура у приміщенні залежить від трьох вхідних
параметрів, кожний з яких має свою перехідну функцію:
• ����н.с. – температура навколишнього середовища;
• ����wo – витрата на охолоджувачі;
• ����wo – температура калорифера.
Отже, можна розробити формули для визначення впливу температури
води, яка надходить у калорифер, на температуру приміщення. Зв'язок між
вхідними та вихідними параметрами структурних схем на рисунках 2.7 та 2.8
визначається такими виразами:

Оскільки у дослідженні [16], яке було розглянуте в розділі 1.3, автори
вирішують спростити перехідні функції, перетворивши їх у аперіодичні ланки
першого та другого порядку, а в роботі [17] ці об'єкти визначаються
аперіодичними ланками першого порядку, була висунута гіпотеза стосовно
подальшого структурування передатних функцій моделі у вигляді:

40
2.3. Ідентифікація параметрів моделі вентиляційної системи
Розробку математичних моделей можна розділити на аналітичні та
експериментальні методи. Експериментальні методи можна поділити на активні
та пасивні. Кожен з цих підходів має свої переваги та обмеження. Аналітичні
методи мають перевагу в тому, що за заданої структури моделі вони можуть бути
використані для будь-якого об'єкта, в якому передбачається процес, що
описується моделлю. Однак вони мають той недолік, що деякі коефіцієнти є
нестабільними. У випадку теплообмінників це часто стосується коефіцієнтів
теплопередачі та теплообміну, що може призвести до неточностей.
Експериментальні методи ефективні тим, що дозволяють точно визначити
математичну модель заданого об'єкта. Однак їх недоліком є те, що вони
обмежують застосовність моделі до досліджуваного обладнання. Також ці
методи не враховують залежності між входами і виходами системи.
Оскільки дуже важливо, щоб модель давала точні результати і щоб модель
можна було постійно вдосконалювати за допомогою методів цифрових
двійників, для подальшого дослідження математичної моделі було обрано
експериментальний підхід. Враховуючи безперервну роботу обладнання,
активні експерименти зі збуреннями неможливі, тому використовуються пасивні
експерименти для збору трендів для подальшого аналізу.
Методи параметричної ідентифікації широко використовуються для
розв'язання конкретних задач, пов'язаних з ідентифікацією лінійних і нелінійних
систем. Проблема оцінювання параметрів зазнала численних розробок відтоді,
як К. Гаусс розробив метод найменших квадратів у 1795 році. Сьогодні існує
багато різних підходів, методів і методик параметричної ідентифікації [23].
Процедура параметричної ідентифікації (оцінювання параметрів) - це
процес визначення величин, що характеризують динаміку об'єкта, за допомогою
певних методів обробки експериментальних даних. Як параметри моделі
розглядаються коефіцієнти диференціальних рівнянь, передаточні функції,
частотні характеристики, нелінійні рівняння тощо.
41
Одним з методів оцінювання параметрів є метод найменших квадратів.
Задача полягає в тому, щоб оцінити значення параметрів, які мінімізують
функціональну похибку (розбіжність) між моделлю і фактичними даними, на
основі наявних вибіркових даних, що спостерігаються на інтервалі дискретизації
Δt для вхідного і вихідного сигналів. Критерієм близькості є мінімізація квадрата
невизначеності J між фактичними та модельними значеннями змінної виду [23]:

де yj – експериментальне значення вихідної змінної, отримане в j-ий момент часу;
yMj – модельне (розрахункове) значення в той же момент часу.
Для визначення коефіцієнтів регресії формуються рівняння, які
враховують наявність екстремуму за кожним параметром ai:

Цей набір співвідношень формує систему рівнянь для оцінки m+1
коефіцієнтів рівняння регресії. Розв'язки цієї системи визначають шукані
коефіцієнти.
Використовуючи чисельні методи, пошук коефіцієнтів моделі можна
здійснювати на основі градієнтного методу. Процес налаштування моделі
розглядається як рух у просторі параметрів β до точок екстремальних значень на
гіперболі J = J(β). Тому задача визначення параметрів моделі інтерпретується як
задача оптимізації цільової функції J(β). Таку задачу можна розв'язати за
допомогою градієнтного методу, який базується на ітераційній процедурі
наближення до екстремальних значень цільової функції, що описується
реляційним рівнянням:
42

де β(k) – поточне наближення до істинного вектору параметрів β*; γ(k) –
параметр, який визначає довжину k-го кроку ітераційного процесу; k – номер
ітерації. Градієнтні методи виступають основою для ідентифікації складних
об'єктів та оптимізації нелінійних критеріїв якості ідентифікації.
Враховуючи ці міркування, для ідентифікації було обрано універсальний
та простий у використанні метод найменших квадратів. Пасивний процес
ідентифікації математичної моделі здійснювався за алгоритмом, блок-схема
якого зображена на рисунку 2.9. Як критерій ідентифікації було обрано метод
найменших квадратів, описаний у попередньому підрозділі 2.2, оскільки він
зарекомендував себе як універсальний і широко використовуваний метод. Як
згадувалося раніше, ідентифікація системи базується на реальних даних,
зібраних з ідентифікованих систем. Тому весь процес починається з проведення
експериментів та збору даних від систем.
Потім необхідно вибрати структуру моделі, яка найкраще відповідає
зібраним даним. Цей процес відображений у попередніх кроках. Після того, як
структура моделі визначена, можна починати процес ідентифікації. На цьому
етапі починається процес оптимізації, і параметри кожної моделі
підлаштовуються таким чином, щоб загальна модель відображала реальну
систему якомога точніше. Цей етап також відомий як мінімізація функції втрат.
У багатьох випадках ця функція характеризується задачею найменших квадратів.
Зрозуміло, що процес ідентифікації та налаштування моделі є ітеративним,
оскільки оптимальні параметри не завжди можуть бути знайдені відразу.
Тому наступним кроком є перевірка моделі, яка передбачає порівняння
результатів роботи математичної моделі з фактичною поведінкою системи. Якщо
модель не відповідає визначеним критеріям, процес починається спочатку. Може
знадобитися зібрати більше вхідних даних, змінити структуру моделі або
доопрацювати сам алгоритм ідентифікації, і процес повторюється. Ця ітерація
43
триває доти, доки не будуть виконані визначені критерії і модель не буде визнана
придатною для використання.

Рис. 2.9. Блок-схема ідентифікації параметрів системи
44
2.4. Динаміка вентиляційної системи WRFPV2V
Під час застосування використовувалися параметри системи вентиляції
стандартного класу; графіки трендів для системи вентиляції WRFPV2V були
отримані за допомогою програмного забезпечення Desigo Insight. На рисунках
2.10, 2.11 та 2.11 показані графіки трендів системи за тримісячний період.

Рис. 2.10. Тренди основних характеристик побудови моделі за перший місяць

Рис. 2.11. Тренди основних характеристик побудови моделі за другий місяць
45

Рис. 2.12. Тренди основних характеристик побудови моделі за третій місяць

Були отримані наступні характеристики (тренди):
• Червоний тренд – температура припливного повітря;
• Коричнево-зелений тренд – температура витяжного повітря;;
• Темно-фіолетовий тренд – температура повітря;
• Чорний тренд – температура води з точки нагріву;
• Фіолетовий тренд – клапан опалення;
• Синя лінія – температура навколишнього середовища.
Зелений і синій тренди представляють параметри тиску в системі для
припливного і витяжного повітря, але не були використані в цьому дослідженні.
Отримані характеристики були експортовані у вигляді Excel-файлу для
користувача після попередньої обробки та згладжування автоматизованою
системою. Важливо зазначити, що виведення даних має деякі особливості, такі
як використання точок як роздільників та подання їх у текстовому, а не
числовому форматі. Крім того, з таблиць даних були виключені дані про тиск у
системі для припливних і витяжних вентиляторів, які не використовувалися в
цьому дослідженні. У таблиці 2.1 наведено приклад витягу з цієї таблиці даних:
• ����з – температура повітря;
• ����п – температура приміщення;
46
• ����к – температура води;
• ����w0 – температура води з теплопункту;
• ����w0 – регулятор клапану води калориферу нагріву;
• ����н.с. – температура навколишнього середовища.

Таблиця 2.1.
Приклад таблиць даних системи підприємства
����з ����п ����к ����w0 ����w0 ����н.с.
Date/Time °C °C °C °C % °C
01.11.2023
23,5 22,70 25,30 70,2 4 5,80
0:48:24
01.11.2023
23,5 22,70 25,30 70,3 4 5,80
0:59:33
01.11.2023
23,4 22,60 25,20 70 4 5,80
1:08:42
01.11.2023
23,4 22,70 25,20 70,2 4 5,80
1:21:51
01.11.2023
23,4 22,60 25,20 70,2 4 5,90
1:32:03
01.11.2023
23,5 22,60 25,20 70,7 4 5,90
2:07:25
01.11.2023
23,4 22,60 25,20 70,6 4 5,90
2:18:42
… … … … … … …
29.11.2023
21,4 21,40 21,80 56,3 8,7 -2,60
5:24:26
47
Створення експериментальної математичної моделі вентиляційної
системи WRFPV2V.
В розділі 2.1 було представлено форму передаточної функції. Для
визначення параметрів цієї моделі використовувалось програмне забезпечення
Matlab Identification Toolbox. Пасивний етап ідентифікації виконувався
відповідно до схеми, представленої на рис. 2.9. Параметри були занесені в файл
heater_data та імпортовані в програму. Графік процесу представлено на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Графік процесу нагріву повітря калорифером

Таким чином, генеруються дані для ідентифікації. Аналогічно генеруються
дані для перевірки моделі. Відповідний графік показано на рисунку 2.14.

Рис. 2.14. Графік процесу нагріву повітря калорифером для валідації
48
Отже, після завершення ідентифікації, модель приймає наступний вигляд:

Після цього етапу відповідно до схеми процесу (рис. 2.6) проводиться
перевірка адекватності параметрів моделі. Для цього порівнюються реальні дані
з реакцією моделі на однакове збурення. Результати порівняння моделі та
реальної роботи системи представлені на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Результати валідації моделі системи

Як показують результати, модель має точність 97,94%. Наступний крок -
оцінити, чи відповідає модель встановленим критеріям. Удосконалення цієї
49
математичної моделі може включати коригування таких параметрів, як
структура моделі, коригування алгоритму ідентифікації або збір більшої
кількості даних. Оскільки оптимізація моделі не є основною метою цього
дослідження, а отримана точність відповідає вимогам компанії, специфікації
моделі, описані вище, приймаються. Аналогічно буде розроблена програма для
визначення параметрів системи охолодження та отримання перехідних функцій
між системою охолодження та приміщенням.
Система вентиляції – це комплекс технічних засобів та інженерних рішень,
призначених для забезпечення належних умов обміну повітрям у приміщенні або
будівлі. Головною метою такої системи є забезпечення чистого та свіжого
повітря для підтримання оптимальних умов для здоров'я та комфорту людей, а
також для забезпечення ефективності роботи технічного обладнання.
Елементи системи вентиляції включають вентилятори, розподільні канали,
вентиляційні решітки, фільтри, системи обігріву та кондиціювання повітря, а
також автоматичні контролери та датчики. Вентилятори відповідають за вихід
повітря з приміщення або його введення, а розподільні канали забезпечують
рівномірний розподіл свіжого повітря по всій будівлі.
Фільтри в системі вентиляції використовуються для утримання пилу,
бактерій та інших забруднень, щоб запобігти їх потраплянню у внутрішнє
середовище. Системи обігріву та кондиціювання повітря відповідають за
підтримання оптимальної температури в приміщенні.
Керування системою вентиляції може здійснюватися автоматично за
допомогою сучасних регуляторів, які враховують параметри повітря та
встановлюють оптимальні режими роботи системи. Використання систем
вентиляції є важливим елементом створення здорового та комфортного
середовища в будь-яких приміщеннях, від житлових будинків до виробничих
приміщень і лабораторій.
Автоматизація системи вентиляції може здійснюватися на різних рівнях.
Найпростіший рівень автоматизації - це використання таймерів. Більш складний
50
рівень автоматизації передбачає використання датчиків і програмного
забезпечення.
Вибір рівня автоматизації залежить від конкретних потреб і вимог
конкретного об'єкта. Наприклад, для невеликих приміщень, таких як офіс або
квартира, може бути достатньо використання таймерів. Для великих
промислових об'єктів може знадобитися більш складна автоматизована система
вентиляції.
Автоматизація системи вентиляції є ефективним способом покращення
комфорту, зниження витрат і підвищення безпеки в приміщенні.
Динаміка вентиляційної системи WRFPV2V може бути аналізована через
різні параметри та характеристики системи. Серед них важливі аспекти
включають температурну та теплову динаміку, функції системи, параметри
тиску, енергетичні характеристики, а також вивчення перехідних функцій та
реакції на збурення. Аналіз трендів і виявлення аномалій дозволяє вчасно
виявляти та виправляти можливі проблеми в роботі системи. Загальна динаміка
системи WRFPV2V визначається взаємодією всіх компонентів та елементів, і
подальше вивчення цих аспектів сприяє покращенню функціональності та
продуктивності системи.

Висновки до розділу 2
Моделювання системи вентиляції з витяжкою припливного повітря є
важливим інструментом для аналізу та оптимізації роботи вентиляційних систем.
Висновки на основі такого моделювання дозволяють розуміти теплові та
технічні характеристики системи, вивчати параметри тиску, температурні
режими та функції витяжки. Особливу увагу слід приділити ефективності
системи, терморегуляції приміщення та витратам енергії.
Моделювання також допомагає виявляти можливі проблеми та
вдосконалювати параметри системи для досягнення оптимальної продуктивності
та енергоефективності.
51
РОЗДІЛ 3
АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ВЕНТИЛЯЦІЙНОЮ
СИСТЕМОЮ

3.1. Визначення концепції регулювання температури в приміщенні
Система одноконтурного управління (зображена на рис. 3.1) представляє
собою простий та широко поширений тип систем, які керують вихідною
величиною об'єкта управління. Вона складається з регулятора (АР) та об'єкта
управління (ОУ). Основною метою системи є мінімізація відхилення, при цьому
ураховуються збурення та початкові розбіжності. Регулятор виводить сигнал
керування, спрямований на стабілізацію регульованої величини y(t), і враховує
прості типи впливів g(t) в умовах наявності збурень ����(t). Функція регулятора
полягає в трансформації інформації про помилку e = g - y в керуючий сигнал u,
відповідно до встановленого алгоритму (закону) управління u = u(e).

Рис. 3.1. Спрощена схема одноконтурного регулювання

Одноконтурні системи керування в основному використовуються для
керування одним параметром процесу та для стабілізації певних параметрів. У
випадку систем вентиляції на температурний вплив на приміщення
52
безпосередньо впливає відповідний регулювальний клапан, залежно від режиму
роботи.
Для більшості хімічних виробництв характерні значні збурення і затримки.
Використання одноконтурних систем для автоматизації таких виробництв
зазвичай не призводить до високих показників якості управління, тому для
поліпшення цих показників застосовуються більш складні системи управління.
Каскадні системи автоматизованого управління (CASC) застосовуються
тоді, коли обладнання складається з двох частин, з'єднаних послідовно. Якщо
можна визначити проміжні координати об'єкта вимірювання (вихід першої
секції), то можна створити каскадну систему керування. Такі системи особливо
корисні, коли збурення координат є регулярними і в основному впливають на
першу секцію. Структура каскадної системи показана на рисунку 3.2.

Рис. 3.2. Структура каскадної системи

У каскадних системах, основний регулятор, представлений передаточною
функцією W(p)рег, взаємодіє з допоміжним регулятором, що має передаточну
функцію W(p)рег1. При цьому вихід основного регулятора Uрег служить вхідним
сигналом для допоміжного, проте інерційність допоміжної змінної має бути
значно меншою, ніж інерційність головної змінної Х. Цей підхід дозволяє
забезпечити швидку реакцію допоміжної змінної Х1 на високочастотні збурення,
53
компенсуючи внутрішні збурення, тоді як зовнішній контур реагує на низько-
частотні збурення, перш за все на навантаження об’єкта. Регулятор внутрішнього
контуру (допоміжний) може бути обраний з П- або ПД-законів, в той час як для
основного застосовуються ПІ- або ПІД-закони [24].
Ефективним способом обчислення каскадних систем є створення
еквівалентних об'єктів. На рисунку 3.3.1 використовується наступне
співвідношення:

Еквівалентний об’єкт для основного регулятору:

На підставі цього виразу проводиться розрахунок основного регулятора, в
який включається передаточна функція допоміжного регулятора у складі
еквівалентного об’єкта. При високій швидкості внутрішнього контуру для
розрахунку допоміжного регулятора формується його власний еквівалентний
об’єкт:

З урахуванням вищезазначеного, каскадна система проявлятиме високі
ефективність та результати при управлінні системою вентиляції. Це зумовлено
тим, що засоби температурного регулювання, такі як калорифер та охолоджувач,
є нелінійними об'єктами, і використання внутрішнього контуру дозволяє
лініаризувати цю нелінійність. Структура каскадної системи управління
режимом роботи системи на нагрів представлена на рис. 3.3. Враховуючи
структуру розглянутої системи вентиляції, можна визначити, що корекційний
регулятор налаштовується на температуру в приміщенні, тоді як стабілізуючий
регулятор – на температуру після технічного обладнання, такого як калорифер
або охолоджувач.
54

Рис. 3.3. Структура каскадної системи регулювання

Слід відзначити, що формула еквівалентного об'єкта у випадку роботи
системи на нагрів виглядає наступним чином:
Wекв=Wвип.об.+Wш⋅Wрег.кор.=Wвип+Wш⋅Wрег.кор
Можна врахувати, що при низьких частотах значення значно перевищує
значення коригуючого регулятору, тому отримаємо:
Wвип.об.≫Wш⋅Wрег.кор.→Wекв=Wвип.об.
Аналогічно це стосується і охолоджувача.

3.2. Розрахунок стабілізуючих регуляторів
Використовуючи пропорційно-інтегральний закон, оскільки використання
диференційної складової не є доцільним, система налаштовується з метою
досягнення заданої температурної уставки на виході з установки. В якості
зворотного зв'язку використовується датчик температури на виході з
приміщення. Для визначення параметрів налаштування регулятора
використовується метод РАФХ (реакції на крокову функцію). При цьому
очікується отримання перехідного процесу з мінімальним показником
перерегулювання, оскільки в даному випадку метою є досягнення найменшої
тривалості перехідного. Для розрахунку параметрів ПІ-регулятора будується
крива із заданим ступенем коливання, використовуючи наступні формули:

55
Тоді, код та отриманий графік (рис. 3.4) наступні:

Рис. 3.4. Крива затухання для калориферу

Рис. 3.5. АФЧХ і РАФХ розімкненої системи з регулятором
56
Аналіз отриманих графіків показує, що умови критерію Найквіста для
розширеної амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) дійсно виконуються.
Так, отримана система має індекс кореневого загасання (m = 0,45).

Рис. 3.6. Графік перехідного процесу калорифера за каналом збурення-вихід
57
Після цього побудуємо систему в середовищі Simulink, використовуючи
отримані налаштування для каналу збурення-вихід та каналу завдання-вихід.
Структурна схема системи з обраними налаштуваннями для каналу завдання-
вихід представлена на рис. 3.6, а графік порівняння перехідних процесів для
каналу завдання-вихід подано на рис. 3.7.
Прямі показники якості такого регулювання по каналу завдання-вихід та
по каналу збурення-вихід наведені у табл. 3.1.

Таблиця 3.1
Прямі показники якості по обом каналам
Канал
Показник якості
завдання-вихід збурення-вихід
Статична похибка 0 0
Динамічна похибка 0,6 0,16
Час регулювання, с 780 120
Степінь затухання 0,81 0,82
Перерегулювання,% 24,7 13,7

3.3. Розрахунок каскадної системи керування
Проведемо розрахунок коригуючого регулятора для зовнішнього контуру
за аналогією з попередніми етапами.

Рис. 3.7. Побудова кривої ступеня затухання
58
У відповідному m-файлі введено наступний код, а результати, отримані
після його виконання, представлені на рис. 3.7.
Приймемо такі налаштування, де Кі = 0.95max(Кі). Тоді:
• Кр = 5,9;
• Кі =0,007572744;
• Ті = Кр / Кі = 5,40522 / 0,007572744 = 739,772.

Рис. 3.8. Структурна схема системи з налаштуваннями регулятора

Рис. 3.9. Графік перехідних процесів по каналу завдання-вихід
59
На підставі попередніх обчислень створимо каскадну систему керування
для каналу завдання-вихід, структурну схему якої відображено на рис. 3.10:

Рис. 3.10. Структурна схема каскадної системи з налаштуваннями регуляторів

Рис. 3.11. Графік перехідного процесу за каналом завдання-вихід

Рис. 3.12. Структурна схема каскадної системи з налаштуваннями регулятора
по каналу завдання-вихід
60

Рис. 3.13. Перехідний процес у зовнішньому контурі

Зауважно, що розрахунок, враховуючи внутрішню структурну схему, а
саме каскадну схему управління, практично ідентичний розрахунку для
зовнішнього контуру. Це пояснюється меншою інерційністю внутрішнього
контуру порівняно з інерційністю зовнішнього контуру. Нижче представлені
показники якості такого регулювання у табл. 3.2:

Таблиця 3.2.
Прямі показники якості по обом каналам для нагрівача
Показник якості для Канал
калорифера завдання-вихід збурення-вихід
Статична похибка 0 0
Динамічна похибка 0.48 1.62*10-3
Час регулювання, с 2280 3360
Степінь затухання 0.83 0.78
Перерегулювання, % 18 52
61
Аналізуючи результати, можна прийти до висновку, що показники якості
та графіки перехідних процесів є прийнятними. Отже, для розглянутої системи
оптимальними параметрами ПІ-регулятора визнаються ті, які вже були зазначені
у попередньому дослідженні: Кр = 9,27, Ті = 34,71. У випадку переходу до режиму
охолодження проведені розрахунки та підхід аналогічні.

3.4. Впровадження цифрового двійника у систему керування
вентиляційною системою
Для управління системою було вибрано SCADA-систему від Siemens з
використанням програмного забезпечення Siemens Desigo Insight для
диспетчеризації. Ця система забезпечує обмін даними з контролером,
відображення технологічних параметрів та реєстрацію аварій. На багатьох
підприємствах використовується виключно ця система диспетчеризації на основі
укладеного контракту із компанією Siemens. Дана система також відома як
Building Management System.

Рис. 3.14. Початкове вікно системи
62
Після успішної авторизації користувачеві SCADA-системи відкривається
головне вікно TOP (рис. 3.14), де він може знайти загальну інформацію по всім
системам.
Панель завдань дозволяє користувачу вивести на екран стан всієї системи
та запустити відповідні додатки. Нижче подано пояснення символів,
представлених на панелі задач, у табл. 3.3.

Таблиця 3.3.
Пояснення символів на панелі задач

63
Стан кожної секції також ілюструється на піктограмі, а пояснення символів
для стану секцій подано у таблиці 3.4.

Таблиця 3.4.
Опис піктограм стану дільниць

Аналогічний підхід застосовується і для відображення стану інженерних
систем системи вентиляції та кондиціювання повітря; опис піктограм та їх
значень представлено у таблиці 3.5.

Таблиця 3.5.
Опис піктограм стану СВіК

64
Щоб відкрити потрібну інженерну систему або систему опалення,
вентиляції та кондиціонування, наведіть курсор миші на відповідну область і
клацніть по ній. Наочна мнемосхема приміщення показана на рисунку 3.15. На
цій мнемосхемі показано функціональну схему системи вентиляції та візуально
відображено датчики температури та реле перепаду тиску.
Індикатори показують показання цих датчиків температури. На схемі
також показано процентне відкриття заслінок подачі, витяжки та циркуляції
повітря, а також процентне відкриття клапана водонагрівача та клапана
охолоджувальної рідини. У відсотках також показано швидкість припливного та
витяжного вентиляторів.

Рис. 3.15. Мнемосхема об’єкту

Система автоматичного моніторингу надає можливість створення та
перегляду звітів зі збережених та поточних даних. У цих звітах можна
використовувати фільтри для відбору необхідної інформації, яку можна
роздрукувати та зберегти у форматі PDF.
65
Система надає наступні види звітів:
• Звіти щодо поточного стану тривог та аварій;
• Звіти журналу подій (тривоги, системні події та дії користувача);
• Звіти про стан системи та її обладнання (режим управління, фактичні
значення та задані значення).
Друк звітів (графіків) роботи окремих дільниць можливий за запитом, який
може бути надісланий в письмовому або електронному вигляді на ім'я
начальника системи управління будівлею (БМС). Цей запит може подавати
тільки керівник відповідного підрозділу або уповноважена особа.
Тренди представляють собою графіки зміни значень параметрів системи в
залежності від часу. Для їх створення та перегляду використовується модуль
тренду. Запис та відображення трендів може здійснюватися в двох режимах: On-
line (запис і відображення в реальному часі, без зберігання) та Off-line (вже
записані дані в базі даних). Запис та перегляд On-line даних можна активувати
через модуль "Графіка", обравши необхідний елемент на графічній сторінці
(рис. 3.16).

Рис. 3.16. Виклик тренду з мнемосхеми об’єкту
66
Після виконання цих кроків модуль тренду буде завантажено, і у його
активному вікні буде відображений графік зміни вибраного елементу, як
показано на рис. 3.17.

Рис . 3.17. On-line тренд температури приміщення

Рис. 3.18. Приклад розархівування трендів
67
Далі, у разі потреби, можна включити на графік інші точки. Щоб
переглянути Off-line тренди, слід виконати аналогічні дії, запустивши той же
модуль і відкривши в ньому базу даних трендів. Якщо тренди збережені у вигляді
архівів (як, наприклад, ті, що використовувалися у цьому дослідженні), їх слід
розархівувати, як показано на рис. 3.18.
Важливо відзначити, що для відповідності вимогам GMP система повинна
зберігати всі дані, пов'язані з якістю виробництва. Таким чином, всі дані з
системи вентиляції та кондиціювання чистих приміщень повинні бути легко
доступні для перегляду. Автоматична система Desigo Insight автоматично
створює архіви даних трендів щомісяця (місячні, див. рис. 3.19) та один раз на
рік (річні). Місячні архіви зберігаються на серверах і автоматично замінюються
річними під час формування останніх. Цей процес аналогічний для журналу
аварій та аудиторського сліду, які будуть розглянуті далі в цьому розділі.

Рис. 3.19. Налаштування місячних бекапів системи
68
Давайте звернемося до аспекту трендів. На зображенні на рис. 3.20.
представлений процес переміщення робочих точок з системного браузера на
поле трендів. Максимальна кількість робочих точок для одного робочого
простору – 10 точок.

Рис. 3.20. Приклад наповнення робочої області точками тренду

Активно впроваджується підхід до даних, відомий як ALCOA+. Стандарт
ALCOA визначає загальні принципи забезпечення цілісності даних [25]. Цей
підхід надає визначення того, як слід ставитися до цілісності та відстежуваності
даних, вказуючи на необхідність надавати максимально зрозумілі найменування
всім, навіть дуже важливим, змінним у валідованих системах. Це зазвичай
дозволяє уникнути проблем з виведенням необхідних трендів, оскільки всі змінні
правильно найменовані. ALCOA – це абревіатура, яка визначає ключові
принципи для забезпечення інтегрітету даних.
69
Кожна літера в цьому акронімі вказує на певний аспект:
1. Legible (Зручність для читання): Дані повинні бути чіткими та легко
читатися. Це передбачає використання зрозумілих та стандартних
символів.
2. Attributable (Атрибутність): Дані повинні бути пов'язані
ідентифікатором, щоб визначити, хто і коли здійснював записи чи
редагував дані. Кожен запис повинен мати чітку атрибуцію.
3. Contemporaneous (Сучасність): Записи повинні бути створені або
внесені в систему в момент фактичного проведення події або
вимірювання, не пізніше.
4. Original (Оригінальність): Дані повинні бути записані в оригінальній
формі без змін, якщо тільки не вказано необхідність зробити зміни, і ці
зміни також повинні бути атрибутовані та обгрунтовані.
5. Accurate (Точність): Дані повинні відображати точні вимірювання чи
події. Це вимагає використання правильних методів вимірювань та
дотримання стандартів точності.
Цей підхід до зберігання та обробки даних важливий для галузі, де висока
точність та достовірність даних є критичними, таким як у фармацевтиці, де
забезпечення якості продукції та безпеки пацієнтів має велике значення.
Всі події, що відбуваються в системі, такі як системні транзакції,
повідомлення, дії оператора і тривоги, записуються в базу даних подій, також
відому як аудиторський журнал.
Ці дані можна фільтрувати і виводити в різних форматах, включаючи друк
і збереження в двійкових файлах .xml. Журнал подій не можна видалити, і його
дані регулярно створюються резервні копії, як і технічні дані (тренди).
Оператори можуть переглядати різні групи подій, натискаючи на
відповідні вкладки на робочому столі. Ці групи включають
• Всі події
• Тривожні повідомлення.
• Системні повідомлення.
70
• Повідомлення, пов'язані з користувачем.
• Повідомлення про стан системи.
Система автоматично генерує повідомлення з описом подій. Як правило,
ці повідомлення генеруються автоматично, але система може вимагати
коментування певних подій, наприклад, зміни параметрів.
Для відображення тривог використовується модуль Alarm Viewer. Список
тривог можна переглядати, скидати та оновлювати. Тривоги не можуть бути
скинуті, якщо причину тривоги не було усунуто.
Наприклад, якщо повітряний фільтр забруднений, тривогу не можна
скинути, доки фільтр не буде замінено. Слід також зазначити, що до тривог
ставляться дуже серйозно. Наприклад, на додачу до тривожних налаштувань, для
фільтра створюється налаштування тривоги перенесення. Система автоматично
надсилає передаварійне повідомлення всьому персоналу, залученому до
інциденту. Передаварійні повідомлення про забруднення фільтрів надсилаються
електронною поштою на організаційну поштову скриньку відділу технічного
обслуговування інженерних систем (ESMD). Крім того, система автоматично
надсилає SMS-повідомлення на корпоративні мобільні телефони співробітників
департаменту обслуговування інженерних систем.

Висновки до розділу 3
У ході аналізу автоматизованої системи управління вентиляційною
системою було виявлено, що використання SCADA-системи Siemens Desigo
Insight, панелі задач та піктограм стану спрощує взаємодію з системою. Модуль
тренду надає можливість вивчення графіків зміни параметрів системи в часі, що
є важливим для аналізу та прогнозування роботи вентиляційної системи.
Система автоматичного моніторингу забезпечує постійний контроль стану
обладнання та ефективне реагування на аварійні ситуації. Дотримання підходу
ALCOA+ до зберігання даних підвищує їхню якість. Система також відповідає
стандартам GMP, забезпечуючи якість продукції. Ефективна система взаємодії з
персоналом полягає у автоматичному створенні пояснень подій та швидкому
71
інформуванні про передаварійні ситуації. В цілому, автоматизована система
управління вентиляційною системою є потужним інструментом, що сприяє
ефективному та надійному функціонуванню обладнання.

72
ВИСНОВКИ

В результаті виконання кваліфікаційної роботи була удосконалена система
автоматичного керування вентиляцією з використанням інструментарію Digital
Twin. За період дослідження було проаналізовано концепцію Digital Twin та
запропоновано основні рішення для автоматизації систем вентиляції.
Проаналізовано різні підходи до побудови моделі вентиляційної системи,
що включає в себе нагрівальні, охолоджувальні агрегати та камери. Також була
вдосконалена каскадна система управління системою вентиляції, яка дозволяє
вибрати налаштування, що забезпечують необхідну якість управління для
досягнення необхідної температури в приміщенні та ефективності роботи
обладнання. Оптимальні налаштування визначалися за допомогою інтегрального
показника якості, який мінімізує вплив керування з використанням модульних
критеріїв якості та пропорційно-інтегральних законів керування для
забезпечення оптимального перехідного процесу.
Крім того, було проаналізовано високорівневе програмне забезпечення для
системи автоматизації на основі системи диспетчерського контролю та збору
даних Desigo Insight. Ця система відповідає вимогам сертифікації GMP і
забезпечує зручний перегляд інформації про систему вентиляції, включаючи
температуру припливного і витяжного каналів, тиск фільтрів очищення повітря
та інші показники. Крім того, був розроблений цифровий проект-близнюк для
систем вентиляції. Пояснено ідею проєкту, проведено технічний аудит та
проаналізовано потенціал для впровадження на ринку.
Майбутні дослідження в галузі автоматизованих систем підтримки
вентиляції приміщень могли б включати в себе наступні напрямки. Акцент на
енергоефективності, включаючи вивчення альтернативних джерел енергії та
розвиток енергозберігаючих технологій.
Дослідження стійкості систем до зовнішніх впливів, таких як екстремальні
погодні умови. Розробка гнучких та адаптивних систем вентиляції для
73
ефективного пристосування до змін у виробничих умовах. Нарешті, важливим є
розгляд інтеграції систем вентиляції з екосистемою, щоб створити більш
ефективне та екологічно чисте середовище.

74
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Alvarez R. Condiciones de confort para la explotación de las gallinas ponedoras
/ R. Alvarez, C. Delgado // Rev.cnb.Cienc. ‒ 2020. ‒ Vol.24. ‒ № 1. ‒ P. 1-13.
2. Balnave D. Increased utilization of sensible heat loss mechanisms in high
temperature, high humidity conditions / D. Balnave // World's Poultry Sc.J. ‒
2018. ‒ Vol.54. ‒ № 1. ‒ P. 69-72.
3. Bardina J.E. Turbulence Modeling Validation, Testing and Development /
Bardina J.E., Huang P.G., Coakley T.J, // California, NASA reports – April,
2019. – 88 p.
4. Bergelin О. P. Heat transfer and fluid friction during flow across banks of tubes.
/ Bergelin О. P., Brown G. A., Doberstein S. C. – Trans. ASME, 2022. – vol. 74,
№ 6. – P. 953-960.
5. Bressler R. Versuche uber den Druckabfall in quer angestromten Rohrbundeln.
– Forschung auf dem Gebiete des Ingeneurwesens, 2018. – Bd. 24, № 3. –
Р. 365-368.
6. Brunsch R. Stoff-und Warmeproduktion in Geflugelstallen / R. Brunsch //
Forschungsber. Agrartechnik des Arbeitskreises Forschung und Lehre der Max-
EythGes. Agrartechnik im VDI 355, Potsdam. ‒ 2020. ‒ 192 p.
7. Characteristics of scalability and their impact on performance: Proceedings of
the 2nd international workshop on Software and performance / A. Bondi –
Оттава, 2020 – Р. 195–203.
8. Cleanrooms and associated controlled environments – Part 15: Assessment of
suitability for use of equipment and materials by airborne chemical
concentration (ISO 14644-15:2019) / Національний стандарт США – США,
2019 – 28 р.
9. Data Integrity and Good Documentation Practice GMP-compliant instructions
and records: конференцiя / B. McDowall, McDowall Ltd. S. Dresen, D. Sankyo
W. Schumacher – Гамбург, 2022. – 25 р.
75
10. Digital Twin: Generalization, characterization, and implementation: Науково-
дослідна робота / E. VanDerHorn, S. Mahadevan. – США, 2021 – Т.145, Р.11.
11. Ekwue E.I. Poultry Farm Busldsngs in Trinidad: Present and Future Prospects /
E.I.Ekwue, M.Grey, A. Brown. – West Indian Journal of Engineering, 2023. –
Vol. 25., № 2. – P. 1-17.
12. Fault injection in Digital Twin as a means to test the response to process faults
at virtual commissioning: конференцiя (ETFA) / D. Orive, N. Iriondo,
A. Burgos, I. Sarachaga, M. L. Alvarez, M. Marcos – Сарагоса, 2019 – Р.1230
– 1234
13. Ferziger J.H. Computational Methods for Fluid Dynamics / J.H. Ferziger,
M. Perić. – 3, rev. ed. – Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hong Kong;
London; Milan; Paris; Tokyo: Springer, 20022. – 423 р.
14. Flexible Work Cell Simulator Using Digital Twin Methodology for Highly
Complex Systems in Industry 4.0: конференцiя / P. Tavares, J. A. Silva,
P. Costa, G. Veiga, and A. P. Moreira – Порто: Iberian Robotics conference,
2018 – Т 693-694 Р. 541–552 – (Advances in Intelligent Systems and
Computing)
15. Fluid Selection and Plant Configuration of an ORC-biomass fed System
Generating Heat and/or Power: конференцiя / A. Pezzuoloa, A. Benatoa,
A. Stoppatoa, A. Mirandolaa – Турин: University of Padova-Department of
Industrial Engineering, 2019 – 8 р.
16. Grimison E. D. Correlation and utilization of new data on flow resistance and
heat transfer for cross flow of gases over tubes banks. – Trans. ASME, 2018. –
vol. 59. – № 7. – P. 583-594.
17. Gustafsson G. Godselgasventilation i stallar for losgaende / G.Gustafsson,
E. Wachenfeit. Wachenfeit Sveriges lantbruksuniv. Institutionen for jordbrukets
biosystem och teknologi, III, Alnarp. ‒ 2018. ‒ 59 p.
18. Hamrita Т.К. Poultry environment and production control and optimization: A
summary of where we are and where we want to go // Т.К. Hamrita, B. Mitchell
// Trans.ASAE. ‒ St.Joseph(Mich.). ‒ 2019. ‒ Vol. 42. ‒ № 2. ‒ P. 479-483.
76
19. Hanjalic K. Advanced Turbulence Closure Models: A View on the Current
Status and Future Prospects, Int. J. Heat & Fluid Flow, 2019. – vol. 15, – P. 178-
203.
20. Heat transfer and fluid friction during viscous flow across banks of tubes /
[Bergelin O. P., Brown G. A., Hull H. L., Sullivan F. W.]. – Ibidem, 2020. –
vol. 72, № 6. – P. 881-888.
21. Henkes R. A.W. M. Natural Convection Flow in a Square Cavity Calculated
with Low-Reynolds-Number Turbulence Models / R. A.W. M. Henkes, F.F. van
der Flugt, C. J. Hoogendoorn. Int. J. – Heat Mass Transfer, 2021. – № 34. –
P. 1543-1557.
22. Launder B. E. Experimental investigation of the influence of tube arrangement
on convection in cross flow of gases over tube bank / B. E. Launder,
D.B. Spalding. – Academic Press, London, England, 2022. – 67 р.
23. Lynna N. Minimalni ventilace pro brojlery / N. Lynna, L. Skalka // Nas Chov. ‒
2022. ‒ R. 62. ‒ № 2. ‒ Р. 45.
24. MacDonald R. Two stage infrared heating / R. MacDonald // Saskatoon. ‒ 2019.
‒ № 95‒211. ‒ 12 p.
25. Maloney S.K. Heat storage, not sensible heat loss, increases in high temperature,
high humidity conditions / S.K. Maloney // World's Poultry Sc. J. ‒ 2018. ‒
Vol. 54. ‒ № 4. ‒ P. 347-352.
26. May J.D. The effect of air velocity on broiler performance and feed and water
consumption / J.D. May, B.D. Lott, J.D. Simmons // Poultry Sc. ‒ 2020. ‒
Vol. 79. ‒ № 10. ‒ P. 1396-1400.
27. Mikec M. Djelovanje povisene temperature okolisa na proizvodnost i zdrav ‒ Ije
peradi / M. Mikec // Stocarstvo. ‒ 2019. ‒ G. 53, sv. 6. ‒ P. 461-471.
28. Predictive Control of Air Handling Unit for a Single Zone Setup: Міжнародний
симподіум / F. Ghawash, M. Hovd, B. Schofield, D. Monteiro Vancouver:
AdCONIP, 2022 – Р. 5
29. The Industrial Internet Reference Architecture: Установчий документ – версiя
1.10 – Industry IoT Consortium, 2022. – 125 р.
77
30. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality ANSI/ASHRAE 62.1-2020 /
Національний стандарт США – США, 2020 – 58 р.
31. VERCORS: Hardware and software complex for intelligent round-trip
formalized verification of dependable cyber-physical systems in a digital twin
environment (Position paper): конференцiя / A. Naumchev, A. Sadovykh,
V. Ivanov. – Iннополic, 2019 – Р. 351–363.
32. Адаптивна система керування припливно-витяжною системою вентиляції:
Магістерська дисертація на здобуття ступеня магістра / В. Адах, І. Голінко
– Національний Технічний Університет України «Київський
Політехнічний Інститут Імені Ігоря Сікорського» Кафедра автоматизації
теплоенергетичних процесів – Київ, 2019 – С. 54-57.
33. Аналіз системи керування для припливно-витяжної вентиляції: тези
Дванадцятої Міжнародної науково-практичної конференції Інтегровані
інтелектуальні робототехнічні комплекси (ІІРТК-2019) / В. Адах, І.
Голінко – Київ: НАУ, 2019 – С. 168–170.
34. Горобець В.Г. Математичне моделювання процесів гідродинаміки і
теплообміну в охолоджувачах повітря / В.Г. Горобець, В.І. Троханяк //
Науковий вісник НУБіП України. – 2023. – № 184 (ч. 2). – С. 101-110.
35. Динамічна модель теплообміну для водяного калорифера у просторі
станів: Інформаційні системи, механіка та керування / І. Голінко,
І. Галицька — Київ, 2019 – Р. 83–92.
36. Огляд інструментарію цифрового двійника для системи вентиляції: тези
Двадцятої Міжнародної Конференції науково-практичної конференції
Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики / О. Геращенко,
І. Голінко – Київ: «Київський Політехнічний Інститут Імені Ігоря
Сікорського», 2023 – С. 86-87.
37. Розроблення стартап-проекту. Методичні рекомендації до виконання
розділу магістерських дисертацій для студентів інженерних
спеціальностей: електронний ресурс / О. Гавриша — Київ: НТУУ «КПІ»,
2019 – 28 с.
78
38. Рутило М.І. Енергоощадні швидкісні режими вентиляційних систем
птахівничих приміщень: дис. канд. техн. наук / М.І. Рутило. ‒ Київ, 2022. ‒
164 с.
39. Троханяк В. І. Застосування методу кінцевих елементів при побудові сітки
в Ansys Meshing для CFD моделей / В. І. Троханяк, Ю. О. Богдан. // ДВНЗ
"ПДТУ". – 2019. – №30. Т.2. – С. 181–189.
40. Троханяк В. І. Математичне моделювання теплообмінного апарата з
шаховим та компактним розташуванням труб в трубному пучку /
В. І. Троханяк, В. Г. Горобець. // Мелітополь: ТДАТУ. – 2018. – Вип.: 15
Т.4. – С. 142–149.
41. Троханяк В. І. Побудова сітки ANSYS Meshing для CFD моделей методом
кінцевих елементів / Троханяк В.І. ‒ Науковий вісник НУБіП України
"Техніка та енергетика АПК". – К.: ВЦ НУБіП України, 2019. – № 209, ч.2.
– С. 244–249.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets