/>/>/>/>КУРСОВАЯ РАБОТА
натему «Водозаборнаястанция города»
/>/>/>/>Содержание
Введение
1 Описаниеводозаборной станции
1.1 Надземный источник
1.2 Подземный источник
2 Предложения по автоматизации
2.1 Автоматизированнаясистема управления водозабором
2.2 Математическоеописание ОУ
3 Предложения поавтоматизации насосной станции
3.1 Описание синтезируемой системы
3.2 Хранениеи обработка информации
3.3 Описание программногообеспечения ЦДП
3.4 Режимы работыавтоматизированной системы
Режимы работыавтоматизированной системы
Приложение 1 Описание насосов
Приложение 2 Средний расход воды
/>Введение
В данном курсовом проекте представлено описание предприятия,занимающееся водоснабжением г. С. Рассмотрен технологический процесс поочистке воды, приведено описание всех сооружений, насосов. Также в курсовомпроекте предоставлены предложения по автоматизации предприятия.
1 Описание водозаборной станции
Источниками водоснабжения г. С. являются поверхностный река К. иподземный – артезианские скважины. Водозаборные сооружения запроектированы напроизводительность 20000 м3/сут.1.1 Надземный источник
/>
Рис.2.Схема водозабораназемных вод
· Водазабирается из реки К. через бетонный оголовок в металлической оболочке .
Оголовок представляет собой эллипс размером 6.0x2.7 м, высотой 2.3 м.Оголовок имеет по 3 входных окна с каждой стороны. На входных окнах установленысороудерживающие решетки. Скорость втекания воды в окна 0,15 м/с.
Оголовок расположен на расстоянии 73.3 м от водоприемного колодца.
· Изоголовка по двум самотечным трубопроводам d 600 мм вода поступает в водоприемныйколодец .
Производительность водоприемного колодца 300 л/с.
Он состоит из:
§ железобетонногостакана с внутренним диаметром 6.0 м и глубиной 10.0 м, состоящего из двух секций(приемное и всасывающее отделения). В каждой секции установлены плоские сетки,для грубой механической очистки воды (4 рабочих и 4 резервных).
Размеры сетки:
- рамасетки – 1090x2600мм;
- ячейки,поддерживающей сетки – 20х20 мм;
- основнаясетка 4х4 мм.
· Вода,пройдя через плоские сетки водоприемного колодца, освобождается от крупныхплавающих предметов. Затем насосами станции I подъёма по двумводоводам d500 мм забирается из водоприемного колодца.
Насосная станция I подъёма полузаглубленная.
Производительность – от 200 до 1000 л/с.
Состоит из заглубленной и наземной частей.
§ Наземнаячасть:
Размер – 6.0х24.0 м.
В ней расположена электрическая подстанция размерами 6.0х9.0 м.
§ Заглубленнаячасть(машинный зал):
Размер – 6.0х15.0 м.
Абсолютная отметка пола 111.08 м.
В ней размещается машинный зал. В нем расположено следующее оборудование:
- тринасоса типа «Д» (1-рабочий, 2-резервных) – центробежные, одноступенчатые сдвухсторонним входом жидкости в рабочее колесо и с горизонтальным разделениемкорпуса (устройство см. в приложение 1). Служат для подачи речной воды наобработку в водопроводную очистную станцию.
- двадренажных насоса (1-рабочий, 1-резервный) – для откачки дренажных вод измашинного зала насосной станции (устройство см. в приложение 1). Дренажныенасосы (ДН) имеют автоматическое и ручное управление. Выбор управленияпроизводится ключами «ИУ» В автоматическом режиме насосы работают по уровнюводы в приямке. При достижении водой электрода 1-го уровня автоматическивключается ДН-1. Откачав воду, ДН-1 автоматически отключается. Если ДН-1 невключается или по какой-либо причине не успевает откачивать воду, то придостижении водой электрода 2-го уровня, срабатывает сигнализация и МНУ включаетДН-2. На водоводах установлены два счетчика воды ультразвуковые марки «Расход7», измеряющие расход воды поступающей в распределительную сеть с водопроводнойстанции. После очистки и дезинфекции вода должна соответствовать требованиямСанПиН «Питьевая вода».
Характеристика насосов приведена в таблице 1.
Таблица 1Технологическое название оборудования Марка насоса Паспортные данные Производительность, м3/час Напор, м Центр. Насос №1 (НРВ-1) 350Д90 1260 64 Центр. Насос № 2 (НРВ-2) 200Д90 600 67 Центр. Насос № 3 (НРВ-3) 350Д90 1260 64 ДН-2 АНС-60 216 16 ДН-1 ГНОМ 10-10 10 10
От насосной станции I подъёма по двум водоводам d 500 мм вода подается вводоочистную станцию во входную камеру на барабанные сетки для предварительнойочистки от крупной взвеси и планктона.
Средний суточный расход с I подъёма – 10000-12000 м3/сутки.
Производительность водоочистной станции 20000 м3/сутки.
Размеры в плане – 48.5х36 м.
Станция включает в себя:
- входнуюкамеру;
- контактныйрезервуар
- смеситель
- контактныеосветлители ;
- реагентныйцех;
- химбаклабораторию;
- венткамерыи подсобные помещения.
Входная камера состоит из трех приемных карманов, трех емкостей сустановленными в них барабанными сетками (2-рабочие, 1-резервная), двухводосливных карманов.
Производительность — 12000 м3/сутки.
Размеры барабанной сетки:
- диаметр барабана – 1550мм;
- длина барабана – 2200 мм
- размеры ячеек рабочейсетки – 0.5х0.5 мм;
- размеры ячеекподдерживающей сетки – 2.5х2.5 мм.
Вода, пройдя через барабанные сетки, попадает в водосливныекарманы, из которых по трубам поступает в контактный резервуар. Сюда жеподается хлор для первичного хлорирования.
Контактный резервуар представляет собой железобетонную емкость,разделенная перегородками на ряд последовательно проходимых водой коридоров.Объём резервуара 260 м3. Время пребывания воды в нем 13 минут.
Хлор вводится в трубопровод перед контактным резервуаром. Дозапервичного хлорирования составляет 3-4 мг/л.
После контакта с хлором вода поступает в смеситель с дырчатымиперегородками, куда подаются реагенты (в начале смесителя вводится известь дляподщелачивания воды, затем коагулянт – сернокислый алюминий и на выходе изсмесителя – флокулянт (полиакриламид)).
Смеситель предназначен для быстрого и полного смешения вводимыхреагентов с водой. Объем смесителя 10 м3, время пребывания воды в нем 0,5минут.
Коагулянт применяется для укрупнения мелкодисперсных и коллоидныхчастиц с целью увеличения скорости их осаждения и способности задерживатьсяпористыми фильтрующими материалами. Доза коагулянта определяется опытным путеми зависит от показаний мутности и цветности исходной (сырой) воды. Обычно онасоставляет примерно 20 — 50 мг/л.
Известь добавляют в воду для поднятия значения рН в паводковыйпериод. Доза извести зависит от дозы коагулянта.
В период паводка и цветения, когда мутность и цветность забираемойводы высокие, используется полиакрламид для интенсификации процессакоагулирования.
· Послесмесителя вода самотеком поступает в контактные осветлители.
Контактный осветлитель – железобетонный резервуар размерами в плане6.9х6.2 м, высотой 4.0 м, полезная площадь фильтрования 33.5 м2.
На водоочистной станции имеется 8 контактных осветлителей.
Вода поступает в нижний карман осветлителя, куда заведенытрубопроводы распределительной системы, далее по распределительной системеподается на обработку. Фильтрование протекает снизу вверх.
Состав загрузки:
§ поддерживающийслой – гранитный щебень:
- фракция20-40 мм – 200 мм;
- фракция10-20 мм – 100 мм;
- фракция5-10 мм – 100 мм;
- фракция2-5 мм – 100 мм;
§ фильтрующийслой – кварцевый песок, фракцией 0.5-2 мм – 2000 мм.
Для очистки загрузки осветлителей от осажденных взвешенных веществпроизводится водовоздушная промывка КО. Сначала продувка воздухом синтенсивностью 18-20 л/с·м2 в течение 1-2 мин, затем одновременно вода своздухом (воздух — интенсивность 18-20 л/с·м2), вода — 3-3.5 л/с·м2) припродолжительности 6-7 мин, дополнительная промывка водой с интенсивностью 6-7л/с·м2 продолжительностью 5-7 мин… Средний суточный расход на собственныенужды водозабора составляет 1200 м3/сутки.
Реагентный цех включает в себя:
§ цех коагулянта;
§ цех извести;
Цех коагулянта содержит:
· Четыре растворных бакадля хранения коагулянта в сухом и растворенном виде, представляющие собойжелезобетонных емкости размерами в плане 5.5х3.7 м, высотой 4 м, с полезнымобъёмом 34 м3.
Баки оборудованы деревянными съемными колосниковыми решетками сячейками, размерами 10-15 мм, предназначенные для поддержания кусковогокоагулянта на некоторой высоте от дна бака. Под решеткой размещена системаперфорированных труб для подачи сжатого воздуха с целью ускорения растворенияреагентов.
· Два расходных бака дляприготовления рабочего раствора коагулянта, представляющие собой железобетонныеемкости размерами в плане 1.25х2.25 м и высотой 3.2 м. На дне бака смонтированасистема труб с отверстиями для подачи сжатого воздуха с целью перемешивания раствора.
· Два насоса-дозатора типаДП-1000/25, производительностью 1.0 м3/час, напором 25 м. Они предназначены дляподачи раствора коагулянта заданной дозы в смеситель.
· Две воздуходувки типаРПП-0,3-35/98, производительностью 745-943 м3/час, напором 1-4 м. Однавоздуходувка типа 200SL 0.500, производительностью 5796 м3/час, напором1 м.
Воздуходувки представляют собой водокольцевые вакуумные насосы сэксцентрично расположенным колесом. Воздуходувки предназначены для подачисжатого воздуха в емкости с реагентами и в контактные осветлители.
Цех извести содержит:
· Двабака-хранилища извести – железобетонные емкости размерами в плане 2.0х3.7 м,высотой 3.6 м, с полезным объёмом 31 м3 каждый.
Баки предназначены для приема, гашения и хранения извести в видеизвесткового теста.
· Затворныйбак – железобетонная емкость размером в плане 2.0х1.2 м и высотой 0.6 м,предназначенный для догашивания и размыва известкового теста.
Из бака-хранилища в затворный бак известковое тестотранспортируется с помощью моторного грейфера на кран-балке.
· Гидравлическаямешалка – металлическая емкость диаметром 1.6 м, высотой 0.6 м, предназначеннаядля разведения известкового теста и тщательного перемешивания полученногоизвесткового молока.
· Гидроциклон,предназначенный для очистки известкового молока от нерастворившихся комочков.
· Расходныйбак – металлическая емкость диаметром 1.6 м и высотой 4.0 м, предназначенныйдля доведения известкового молока до рабочей концентрации.
· Дванасоса марки СМ 100-65-250, производительностью 50 м3/час, напором 20 м,предназначенные для перемешивания известкового молока, а также подачи его изгидромешалки в расходный бак, а оттуда в дозатор.
· Бункерныйдозатор служит для дозирования подачи известкового молока в смеситель.
· Осветленнаявода собирается сборными желобами и отводится в верхний карман осветлителя,откуда поступает в 2 резервуара чистой воды, каждый объемом по 2000 м3.
Резервуары представляют собой заглубленную железобетоннуюпрямоугольную конструкцию, размерами 18х24 м и высотой 4.96 м. Подвод водыосуществляется трубой d 600 мм. Внутри бака вход выполнен на высоте 0.4 м от днабака, слив воды происходит на высоте трубопровода 3.8 м от дна бака. Отвод водына всасывающий трубопровод насосов станции II подъема осуществляетсятрубой d600 мм, расположенной в приямке (размером 2.5х2.5 м и глубиной 1.5 м) на высоте0.5 м от дна приямка. Для опорожнения резервуаров в приямке предусмотренагрязевая труба диаметром 150 мм, выход к трубе на уровне дна приямка сзадвижкой в колодце канализации. Опорожнение резервуара производится в хоз.бытовую канализацию. Сброс воды при переполнении резервуаров осуществляетсятрубой d500 мм в ливневую канализацию на шламонакопитель. Перелив происходит намаксимальном уровне 4.8 м.
Резервуары оборудованы:
§ вентиляционнымиколонками для обмена воздуха, впуска и выпуска воздуха при опорожнении инаполнении;
§ люками-лазамии световыми люками;
§ приборамиконтроля и сигнализации уровней в резервуаре.
На водоводе чистой воды имеется врезка для подачи хлора (вторичноехлорирование).
· Срезервуаров чистой воды насосами II подъёма вода подается водоводам d 600 мм на насоснуюстанцию III подъёма, средний суточный расход составляет 12000-14000 м3/сутки;
· Производительностьнасосной станции II подъёма 700 л/с.
Состоит из следующих помещений:
1.Машинный зал, в котором располагаются 4 центробежных насоса сдвухсторонним входом жидкости (1-рабочий, 3-резервных), два дренажных насоса(1-рабочий, 1-резервный). Характеристики насосов приведены в таблице 2.
Таблица 2Технологическое название насоса Марка насоса Паспортные данные Производительность, м3/час Напор, м Агрегат №1 (ХПН-1) 200Д60А 540 84 Агрегат №2 (ХПН-2) 200Д60А 540 84 Агрегат №3 (ХПН-3) 200Д60А 540 84 Агрегат №4 (ХПН-4) 200Д60А 540 84 ДН-1 Гном-25 25 20 ДН-2 АНС-130 130 11
Также, в машинном зале, установлены задвижки сэлектрифицированными приводами. На штурвале имеется переключатель приводазадвижки на ручное и электрическое управление. Электроприводы запитаны со щитауправлениями задвижками (ЩУЗ). На ЩУЗ вынесены кнопки управления задвижками«Открыто», «Стоп», «Закрыто», а также переключатели сигнализации (включение иотключение лампочек) и лампочки контроля положения задвижки.
2. Подсобные помещения – щит управления и контроля, щитвыпрямительных устройств, электрических распределительных устройств 0,4 кВ и 6кВ, слесарная мастерская, слесарная, санузел.
Щит управления и контроля (ЩУК) состоит из 4-х панелей.
На первой панели установлены амперметры для ХПН-1,2,3,4 исигнальные лампочки включения и отключения насосов, лампочки, указывающие наоткрытие и закрытие напорных задвижек. На панель вынесены блинкера, ключиуправления насосами, которые имеют положение «Включено», «Отключено», ключиизбиратели работы насоса, имеющие положение «Работа» и «Резерв»
На второй панели установлена предупредительная сигнализация дляпредупреждения о неисправностях на насосной станции II подъема.
На третьей панели – аварийная сигнализация, блинкера которойсрабатывают при аварии на насосной станции. Осуществляется контроль аварийногоотключения:
— вводов;
— насосов;
— вытяжной вентиляции;
— напряжение в цепях предупредительной сигнализации;
— уровней в приемных резервуарах;
— уровня затопления насосной станции и переполнения дренажногоприямка;
В случае неисправности срабатывает соответствующее сигнальноереле, выпадает блинкер, расшифровывающий характер неисправности и передаетсясигнал в схему диспетчерской сигнализации на водоочистную станцию.
На четвертой панели вынесены приборы КИП, указывающие уровень водыв резервуарах 1 и 2, давление в водоводах 1 и 2, расход воды на водоводах 1 и2.
Насосная станция III подъема аналогична станции II подъема. На станции III подъема используетсясистема управления насосами мощностью до 300 кВт для регулирования подачи водыпотребителям, путем оптимизации режимов работы насосов питьевой воды (НПВ).Система позволяет подключить один из насосов (НПВ1 — НПВ3) к частотномупреобразователю, который в автоматическом режиме поддерживает заданное давлениев водоводе. Частотное регулирование позволяет избежать дросселирующего режима(работа при частично открытой задвижке), что позволяет значительно сократитьрасход электроэнергии.
Графики расхода воды представлены в приложении2.1.2 Подземный источник
Подземным источником водоснабжения г. Соликамск являютсяартезианские скважины рис. 2
В настоящее время в работе находятся четыре скважины (суточныйрасход 3816 м3/сут) со следующими насосами (таблица 3).
Таблица 3Номер скважины Марка установленного насоса Производительность, м3/час Напор, м 1 ЭЦВ8-25-100 25 100 1а ЭЦВ8-25-100 25 100 2 ЭЦВ8-25-100 25 100 2а ЭЦВ8-40-90 40 90
/>
Рис.2.Схема водозабораподземных вод
Контроль за качеством воды осуществляется аттестованнойхимбаклабораторией. Для проведения анализа воды имеются следующие пробоотборныеточки:
§ На I подъеме;
§ Вовходной камере;
§ Послеконтактных осветлителей (отдельно после каждого осветлителя и общая точка натрубопроводе чистой воды);
§ На II подъеме;
2 Предложения по автоматизации
2.1Автоматизированная система управления водозабором
1. Назначение.
— Устройство модуль автоматизации скважин (устройство)предназначено для контроля технологических параметров на водоподъемной скважине(величина напряжения питания двигателя насоса; ток нагрузки двигателя насоса;давление в трубопроводе; контроль «сухого хода» насоса; состояние положениявыключателей; состояние двери, а также для управления насосом – включить ивыключить) .
— Устройство предназначено для работы в температурном диапазоне отминус 40 град.С до плюс 85 град.С, относительной влажности до 98% притемпературе 25 град.С, атмосферном давлении 80-106 кПА (от 630 до 800 ммрт.ст.) и может входить в состав оборудования для автоматизации(телемеханизации) водоподъёмных станций (организация диспетчеризации ицентрализованного управления несколькими удалёнными системами).
2. При разработке автоматизированной системы управленияводозабором были предусмотрены следующие контролируемые параметры:
2.1.При достижении максимального уровня воды в ВНБ насос наскважине должен отключаться, при достижении минимального уровня воды — включаться. Сигналы на включение и отключение глубинного насоса должныпередаваться по сигналам датчиков уровня.
2.2 Система должна автоматически отключать глубинный насос при:
• понижении уровня воды в скважине ниже допустимого (защита от«сухого хода»);
• неисправности насоса;
• неисправности электрооборудования.
2.3 Автоматическое повторное включение (АПВ) насосного агрегатапосле появления ранее исчезнувшего питающего напряжения.
2.4 Электрические защиты:
• от неполнофазного режима; время — токовая; максимально — токовая.
2.5 Возможность управления насосным агрегатом — ручное (местное),автоматическое.
2.6 Степень защиты оборудования IP 54.
2.7 Следующая индикация:
• состояние насосного агрегата (рабочее, нерабочее);
• состояние электрифицированных задвижек (закрыта, открыта), еслиимеются; индикация АПВ; наличие напряжения в сети (всех фаз);
• наличие воды в скважине;
• отображение аварийных ситуаций, их архивирование в течении года;
• уровень воды в РЧВ или ВНБ;
• информация о переливе РЧВ (ВНБ);
• ток электродвигателя работающего насоса;
• о несанкционированном проникновении в здания;
• о понижении температуры воздуха в зданиях ниже, чем 5 С;
3. Состав.
В систему входят:
— Блок логики.
— Блок силовой.
— Внешние датчики
Блок силовой это совокупность исполнительных устройств, получающихкоманды от контроллера и управляющих насосом водоподъемной станции и другимисиловыми элементами.
Внешние датчики:
• Датчик минимума-максимума (манометр)
• Датчик «сухого хода» (манометр)
• Дополнительно могут быть установлены датчики температуры,датчики охраны помещения и.т.п.
4. Возможности.
Режимы управления
• Автоматический
• Ручной
В автоматическом режиме, система контролирует все параметры иотрабатывает полный цикл, без вмешательства человека. Все действия инеисправности (аварийные ситуации) отображаются на жидкокристаллическомдисплее, который находится на передней панели устройства. Все данныеотображаются с привязкой по времени. При использовании централизованногоконтроля и управления, все действия и неисправности транслируются вдиспетчерский пункт и отображаются на экране персонального компьютера. Связь скомпьютером может быть как проводная, так и беспроводная Wi Fi. По одной парепроводов, последовательно может быть подключено до 255 устройств.
В ручном режиме все операции производятся с помощью органовуправления, находящихся на передней панели.
По желанию система может комплектоваться устройством плавногопуска двигателя, что значительно увеличивает срок службы насоса.
2.2 Математическое описание ОУ
На станции 3-го подъёма необходимо регулироватьвыходное давление. Оно не должно превышать и падать, вследствии неравномерногорасхода воды во времени, ниже заданной величины.
Поэтому необходимо рассмотреть контуррегулирования скорости двигателя в зависимости от выходного давления. />Спроектированная системаавтоматического регулирования давления может быть представлена структурнойсхемой, изображенной на следующем рисунке.
/>
Рис.Структурная схема
iзад –сигнал задания давления;
P –давление в трубопроводе;
iдд –сигнал обратной связи с датчика давления;
Di – отклонение текущего значения от заданного;
uk – сигнал управления по напряжению на преобразователь частоты;
Kпч-д – коэффициент передачи преобразователя частоты-двигателя;
Tм – постоянная времени преобразователя частоты-двигателя;
w – скорость двигателя насоса;
Kн – коэффициент передачи насоса;
Tн – постоянная времени насоса;
Kдд – коэффициент передачи датчика давления.
KВ – коэффициент передачи возмущающеговоздействия.
Каждый элемент системы представляет собой апериодическое звено.
Рассмотрим каждое звено отдельно:
1. Преобразователь частоты-двигатель:
/>
/>
/>=0.01 ввиду большой скоростисрабатывания
/>
2. Насос. Преобразует циклическую частоту двигателя в давление
/>
/>
/>=1 – время разгона насоса
/>
3. Датчик давления. Преобразует давление в токовый сигнал.
/>
/>
4. Возмущающее воздействие.
/>
/>
/>
Рассчитав перечисленные выше параметры звеньев структурной схемы,проведем моделирование в специализированном программном пакете визуальногомоделирования MatLab Simulink.
/>
/>
Моделирование системыуправления без регулятора и возмущающих воздействий в среде Simulink
Далее проведём моделирование с внешним возмущающим воздействиемпри помощи открытия отсечного клапана.
/>
/>
Моделирование системыуправления cвозмущающим воздействием в среде Simulink
В момент открытия клапана происходит резкое падение давления, азатем система выходит на новое устойчивое состояние с меньшим значением давления.
Последним этапом является моделирование системы управления срегулятором давления, который должен компенсировать возмущающее воздействие.
Вычисление ПИ- регулятора
Объединяет два регулятора П и И,, обладает наилучшими свойствами,а именно: за счет П — составляющей улучшается показательные качества впереходном процессе, а за счет И — составляющей уменьшается ошибкарегулирования ® т.е. улучшается точность.
В качестве критерия качества регулирования принимаем желаемуюпередаточную функцию разомкнутого контура. Для рассматриваемой системырегулирования целесообразно применять настройки контура регулирования на техническийоптимум. Желаемую передаточную функцию разомкнутого контура в этом случае записываютв виде:
/>
Передаточная функция оптимального регулятора определяется в виде:
/>
где Wоу (p) – передаточная функция объекта регулирования, Wос (p) – передаточная функция звенаобратной связи, Wр.жел (p) – желаемая передаточная функция разомкнутого контура.
/>
В результате синтеза была получена передаточная функцияПИ-регулятора. В общем виде передаточная функция ПИ-регулятора выглядит следующимобразом:
/> />,
где KП – коэффициент пропорциональной части, КИ – коэффициентинтегрирующей части, которые необходимо вычислить для построения регулятора вреальной системе регулирования давления.
Промоделируем систему с ПИ регулятором и возмущающимивоздействиями.
/>
/>
Моделирование системыуправления cвозмущающими воздействиями и ПИ-регулятором в Simulink
По полученным результатам можно судить, что система быстроотрабатывает возмущение и возвращается в исходное устойчивое состояние сзаданными показателями качества, поэтому синтез ПИ — регулятора проведён верно.
3 Предложения по автоматизации насосной станции
Наиболее экономичным является такой режим работы насосов, когдапри изменяющемся разборе развиваемый насосами напор соответствовал быминимально необходимому значению и не превышал его. Этого можно добиться путемавтоматического изменения частоты вращения электродвигателей насосов с помощьючастотно-регулируемых приводов (ЧРП).
Таким образом, основной целью создания автоматизированной системыуправления стало:
· автоматическоеподдержание заданного давления воды в коллекторе;
· созданиенаиболее экономичного режима работы насосов с помощью ЧРП;
· оперативныйдиспетчерский контроль за параметрами процесса;
· выявлениеаварийных ситуаций и/или неисправностей технологического оборудования с выдачейаварийно-предупредительной сигнализации и с занесением в журнал событий.
· обработкааналоговой и дискретной информации по заданному алгоритму и формирование qнеобходимых сигналов дляуправления технологическим оборудованием;
· передачаинформации о текущем состоянии оборудования, о параметрах и состояниитехнологического процесса на верхний уровень (при работе в составе АСУ ТПпредприятия);
3.1 Описание синтезируемой системы
Три уровня,обеспечивающие функции оперативного контроля и управления – нижний, средний иверхний (рис. 2).
/>
Рис. 2. Уровни АСУ ТП
· Нижний уровень АСУ ТП объектаавтоматизации.
Основные компоненты:
· датчики;
· исполнительные механизмы.
Решаемые задачи:
преобразования физических параметровтехнологического объекта в унифицированные электрические сигналы.
преобразования унифицированныхуправляющих сигналов автоматизированной системы в механические и др. видывоздействий на течение технологического процесса.
· Средний уровень АСУ ТП объектаавтоматизации.
Основные компоненты:
· модули устройствасопряжения с объектом;
· программируемыйлогический контроллер;
· программное обеспечениеконтроллера;
Решаемые задачи:
— сбор и обработка сигналов с датчиков;
— выявление отклонений технологическихпараметров процесса от регламентных значений;
— выдача сигналов для аварийной защиты иблокировки технологического оборудования при нарушении регламентных уставок;
— расчет и выдача в виде электрическихсигналов, управляющих воздействий для ИМ и технологических агрегатов,обеспечивающих реализацию программно — логического управления технологическимпроцессом и регулирование значений параметров;
— представление информации(сигнализация) по критичным значениям параметрам;
— передача данных между УСО и ПЛК, ПЛК иверхним уровнем АСУ ТП
— автоматическая самодиагностика идиагностика нижнего уровня.
· Верхний уровень АСУ ТП объектаавтоматизации.
Основные компоненты:
· рабочая станция;
· аппаратные средства дляобеспечения обмена данными с контроллерами
Решаемые задачи:
— диагностика подсистем среднего и верхнегоуровней;
— конфигурирование и настройкаконтролеров, сети передачи данных, каналов измерения.
— ведение архивов изменения параметровСКУ;
— составление отчетов по запросуоператора.
Выбор КТС нижнего уровня АСУ ТП
Группы КТС в составенижнего уровня:
системы измерения давления;
системы измерения расхода;
частотные преобразователи
1. Системы измерения давления
Основные критерии выбора:
диапазон измерений – 0…5,5 кг/см2 (0…550кПа);
предел погрешности измерения – не более1%;
выходной унифицированный сигнал –желательно 4-20мА;
средний срок службы.
Дополнительное условие:датчик должен быть предназначен для измерения избыточного давления.
Проведём сравнениедатчиков давления трех фирм: ЗАО «Автоматика», ПГ «Метран»,фирма «Элемер» (табл. 1.).
Таблица 1
Технические данныедатчиков давления
Предел
измерений,
кПа
Предел
Погрешности измерения,
±g, %
Выходной
унифицированный
сигнал,
мА
Средний
срок службы,
лет ЗАО «Автоматика» – ПД-1И 700 0,5 4-20 – ПГ «Метран» – Метран-43-ДИ 3156-МП 700 0,64 4-20 12 Фирма «Элемер» – АИР-20-ДИ 130 1000 1 4-20 12
По приведеннымтехническим данным датчиков давления можно сразу исключить датчик АИР-20-ДИ 130фирмы «Элемер», т.к. диапазон пределов его измерений значительнопревышает измеряемый. Датчик ПД-1И ЗАО «Автоматика» похарактеристикам соответствует датчику Метран-43-ДИ 3156-МП ПГ«Метран» и даже превосходит его по точности измерения, но упоследнего оговорен средний срок службы в 12 лет и предел погрешности измеренияне значительно уступает первому, что дает ему преимущество при выборе.
2. Системы измерения расхода
Основные критерии выбора:
диапазон измерений – 0…500 м3/ч;
предел погрешности измерения – не более5%;
выходной унифицированный сигнал – желательно4-20мА;
средний срок службы.
Сравним датчики расходатрех фирм: ЗАО «Взлет», ПГ «Метран», фирма«Теплоприбор» (табл. 2).
Таблица 2
Технические данныедатчиков расхода
Диапазон
пределов
измерений,
м3/ч
Предел
погрешности
измерения,
±g, %
Выходной
унифицированный
сигнал,
мА
Средний
срок
службы,
лет ЗАО «Расход» – Расход 7 0…550 4 4-20 12 ПГ «Метран» – Метран-300-ПР-25 1…500 3 4-20 12 Фирма «Теплоприбор» – UFM 005-25 0…800 5 0-5 –
Следует отметить, что вустройствах ЗАО «Расход» и фирмы «Теплоприбор» примененультразвуковой способ подсчета расхода жидкости, а в устройстве ПГ«Метран» – вихреакустический. У ультразвукового датчика явноепреимущество: у него нет деталей расположенных поперек потока, а его внутренняяповерхность абсолютно гладкая по сравнению с вихреакустическим датчиком. В видуэтого датчик Метран-300-ПР-25 исключается. По приведенным техническим даннымдатчиков расхода можно сразу исключить датчик «Теплоприбор» – UFM 005-25, т.к. диапазонпределов его измерений значительно превышает измеряемый. Выбираем датчик ЗАО«Расход» – Расход 7.
3. Частотные преобразователи
Основные критерии выбора:
диапазон пределов измерений – 0…200 кВт;
предел погрешности измерения – не более1%;;
выходной унифицированный сигнал –желательно 4-20мА;
средний срок службы.
Сравним частотныепреобразователи трех фирм: «Siemens», «Hitachi», «Keb» (табл. 3).
Таблица 3
Технические данныечастотных преобразователей
Диапазон
пределов
измерений
Рабочая температура
t, грС
Выходной
унифицированный
сигнал,
мА
Средний
срок
службы,
лет «Siemens» – Micromaster 430 7,5…250 -10…+50 4-20 12 «Hitachi» – L300P 1,5…250 -10…+40 4-20 - «Keb» — Combivert F5-M 0,37…315 -10…+45 4-20 10
Частотный преобразователь«Keb» — Combivert F5-M можно исключить, т.к.диапазон пределов его измерений значительно превышает измеряемый. У частотногопреобразователя «Hitachi» – L300P характеристикисоответствует частотному преобразователю «Siemens» – Micromaster 430, но у последнего оговоренсредний срок службы в 12 лет, что дает ему преимущество при выборе.
Выбор КТС среднего уровня АСУ ТП
В состав КТС среднегоуровня АСУ ТП входят модули УСО, ПЛК, ПО контроллера, технологические сети.
КТС должен управлятьсяпрограммно, имея предоставленный разработчиком пакет готовых процедур ифункций, обладать достаточными для наших целей возможностями. Как правило,почти все предлагаемые рынком изделия, обладают одинаковыми возможностями.Различия заключаются, в основном, в количестве входных/выходных каналов,точности и разрядности АЦП, в архитектуре и конструктивном исполнении. КТСдолжен по возможности более просто и надежно сопрягаться с вычислительноймашиной: надежное физическое соединение, простое и бесконфликтноеПО.
Выбор контроллера.
Рассмотрим два контроллера, двух разных фирм:SIMATIC S7-200 и DeCont-182.
Технические параметры этих контроллеров похожи, поэтому рассмотрим выбор с другой стороны :
Стоимость системы на базе DeCont-182: 1800 евр.
Стоимость системы на базе SIMATICS7-200: 1330 евр.
В плане надёжности, контроллер SIMATIC S7-200уступает Деконту.АСУ ТП обязательно должна быть надёжна, поэтому не следуетэкономить и разумнее взять DeCont-182.
Описание контроллера DeCont-182.
КТС, построенный наоборудовании фирмы «ДЕП», прост по конструкции. Для него не требуетсяподбирать дополнительное оборудование сторонних производителей. Благодаря наличиюПЛК система становится самостоятельной и независимой в работе от системыверхнего уровня АСУ ТП. Такой КТС имеет более наглядную сетевую архитектурублагодаря наличию ПЛК.
/>
Сетевая архитектура модулей «ДЕП» сконтроллером
Основные технические характеристикиконтроллера DeCont-182:
Рабочий диапазон температуры ………………….…. от — 40 до + 70 °С
Влажность ………………………………….………… 5 … 95 %
Питание: версия V6.1 и младше ……………………. 24 (22 … 26) В
версия V7.1 и старше ….……………………….…… 24 (9 … 30) В
Ток потребления при напряжении питания 24В
(без интерфейсных плат) (не более) ………………… 75 мА
Тактовая частота основного процессора …………… 30 МГц
Емкость ПЗУ (на основе FLASH) ……………..……. 512 К
Емкость ОЗУ ……………………………………..……512 К
При пропадании питания сохранение данных в ОЗУ и ведение времени,при нормальных условиях, суммарно (не менее) ……… 2 лет
Уход часов …………………………………….……… 1 мин/месс
Масса ……………………………………………….… 0,5 кг
Подключение DeCont-182 к ПК осуществляетсяс помощью адаптера RS485 PC-I-RS485.
Представляет собой преобразовательсигналов интерфейса RS485 в сигнал RS232 и предназначен для подключения шлейфасети SYNET к коммуникационному порту компьютера типа PC.Адаптер содержитвстроенный источник питания, подключенный к сети 220в., снабжён разъёмомRS232 типа DB9, совместимым с разъёмом RS232 PC через кабель удлинитель и разъёмным клемникомRS485.Протакол работы канального уровня (2) соответствует международномустандарту ISO/IEC 7809:1993(HDLC).
Модули ввода(AIN8-i20)-вывода(AOUT1-20) комплекса DECONTявляютсялокальными микропроцессорными устройствами связи с объектом и осуществляютпервичную обработку входных датчиков непрерывных и дискретных сигналов и выдачууправляющих воздействий на ИМ. Каждый модуль имеет выход в технологическую сетьна основе интерфейса RS-485. У модулей каждый канал (в том числе интерфейсаRS-485) имеет индивидуальную гальваническую изоляцию. Питание модулейосуществляется нестабилизированным напряжением 9…30 В постоянного тока.Алгоритмическое управление осуществляется контроллером DeCont-182.
Для взаимодействияконтроллера DeCont-182 с модулями УСО применяется локальная технологическая сетьSYBAS на физическом интерфейсе RS-485.Модули в сети пассивны, любой обменданными инициируется мастером сети (DeCont-182).Мастер передаёт модулям настроечные параметры,команды управления и считывает текущие данные.
Основные технические характеристикимодуля AIN8-i20:
Кол-во каналов аналогового ввода ……………....……....… 8
Напряжение питания ………..………..……………………… 24 (9 … 30) В
Ток потребления при напряжении питания 24В
(не более): ………………………………………………...… 80 мA
Основная приведенная допускаемая погрешность ………. 0,25 %
Дополнительная приведенная допускаемая
погрешность на 10 °С …………….................................…0,1 %
Входное сопротивление для режимов: 0 — 10 V …. 100 кОм
0 — 5 мА …………………………………………………. 400 Ом
0 — 20мА ………………………………………………… 100 Ом
Предельные уровни сигналов: 0 — 10 V ………………… ± 150 В
0 — 5 мА ……………………………………………….….13 мА
0 — 20мА ……..…………………………………………… 50 мА
Масса ………………………………………………..…… 0,45 кг
Основные технические характеристики модуля AOUT1-20:
Напряжение питания ………..………...……..…….…… 24 (9 … 30) В
Ток потребления при U=24В (не более): ……………… 70 мА
Разрядность ЦАП ………………….………………..…… 12 бит
Предел допускаемой приведенной погрешности ….…. 0,1%
Дополнительная погрешность температуры
на каждые 10 °С …………………………………………0,05 %
Масса …………………………………….………..………0,25 кг
Выбор КТС верхнего уровня АСУ ТП.
К верхнему уровню АСУ ТП относится АРМ оператораи БД.
АППАРАТНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Минимальная конфигурация компьютеров АРМ.
Типовое рабочее место диспетчера:
§ Процессор – Pentium IV3000 МГц.
§ Оперативная память – 1024МБ.
§ Свободное дисковоепространство – 100 Gb.
§ Smart UPS – 1000 (илибольше) VA.
Сервер базы данных:
§ Процессор – Pentium IV3500 МГц
§ Оперативная память – 2048МБ
§ Свободное дисковоепространство – 4 Тб.
§ Smart UPS – 1000 (илибольше) VA3.2 Хранениеи обработка информации
Для хранения информации используется серверInterBase под управлением ОС Windows 2000/XP и может хранить терабайтыинформации. Организационная структура базы данных (БД) позволяет хранить полнуюинформацию о результатах обмена данными, по меньшей мере, за три годафункционирования диспетчерского центра и, кроме того, обобщенную аналитическуюинформацию ещё за несколько лет.3.3 Описание программного обеспечения ЦДП
Программное обеспечение АРМа обеспечивается SCADA-системой КАСКАД.
SCADA-система «КАСКАД для WINDOWS» (далее — КАСКАД) представляетсобой мощный инструмент наблюдения, анализа и управления технологическимипроцессами; имеет в своем распоряжении все необходимые инструменты, присущиесовременным SCADA-системам, а также ряд уникальных особенностей.
Система КАСКАД спроектирована так, чтобы обеспечить максимальноудобную работу с ней для пользователей различной квалификации, имеет интуитивнопонятный интерфейс и проста в освоении.
Система имеет мощную сетевую архитектуру, что позволяет легконаращивать ее мощность, гибко конфигурировать под любой технологическийпроцесс, комбинируя нужные модули.
Система КАСКАД включает в себя следующие компоненты:
Серверные модули:
— Сервер Доступа к Данным осуществляет получение, обработку инакопление данных, ведение базы данных, анализ и передачу управляющихвоздействий. Накопление данных ведется в виде SQL-базы данных под управлениемсервера InterBase.
— Интерфейсные модулеи доступа к данным осуществляют связь систочниками данных (микроконтроллерами и т.п.).
— Конфигуратор СДД предоставляет унифицированный интерфейс длянастройки модулей доступа к данным (формирования набора опрашиваемых устройств,тегов, настройка параметров опроса).
/>
Клиентские модули:
— Модуль визуализации ТП является основным средством визуальногоконтроля текущих параметров ТП, а также главным инструментом управленияпроцессами. Отображаемые данные группируются в виде панелей мнемосхем. Каждаяпанель может отображать информацию в любом удобном для восприятия и анализавиде: текстовом, графическом (растровое или векторное изображение),анимированные изображения, видеоролики, тренды, гистограммы и т.д. Причем видыотображения могут комбинироваться в любом сочетании. Навигация по мнемосхемаммаксимально проста. Настройка мнемосхем производится во встроенном редакторе.
/>
— Модуль просмотра исторических данных ТП представляет собоймощное и удобное средство просмотра истории технологического процесса,отслеживания динамики ТП благодаря развертыванию данных в графическом виде.Информация может представляться как в двух, так и в трех измерениях, вабсолютных единицах (единицы измерения), в процентах. Возможен просмотр какисторических, так и текущих данных (следящий режим). Данные при отображениилогически группируются в виде панелей предыстории. Каждая панель может работатькак независимо от других панелей, так и синхронно с ними. Добавление и удалениеграфиков производится налету, как и изменение масштаба отображения. Количествоодновременно отображаемых панелей и графиков на каждой панели в принципе неограничено и выбирается из соображений удобства восприятия и здравого смысла.
/>
— Модуль формирования отчетной документации позволяет создаватьотчеты любого вида за любой период времени, вести как сменную, так и сквознуюдокументацию, а также анализ данных. Формирование отчетов производится вформате и под управлением Microsoft Excel. Во-первых, это дает пользователювозможность настроить вид выходной документации, используя весь мощныйинструментарий, предоставляемый программой Microsoft Excel, а во-вторых,позволяет использовать сформированные документы в дальнейшем без дополнительныхпреобразований. Вид документа настраивается один раз и запоминается в видешаблона. По этому шаблону в любое время может быть сформирован выходнойдокумент на любой момент времени.
/>
— Модуль звуковой сигнализации осуществляет контроль соответствиятехнологического процесса установленным режимам. В случае нарушений происходитинформирование пользователя проигрыванием звуковых файлов. Благодарячрезвычайно гибкой настройке модуль может быть использован также и длякомментирования хода технологического процесса. В качестве звуковой информациимогут быть использованы голосовые сообщения; сообщение можно составлять изнескольких элементов, зацикливать произвольный участок цепочки. Узел, вызвавшийаларм, отображается модулем визуализации, что позволяет немедленно принятьнеобходимые меры. Каждому контролируемому параметру задается приоритет, чтопозволяет в первую очередь обрабатывать более важные алармы.
Модули системы КАСКАД работают независимо друг от друга, поэтомуможно, например, одновременно формировать отчет, анализировать историческиеданные и следить за текущим ходом процесса.
/>
Для разграничения уровней доступа к информации введена системапользователей и паролей. Каждому пользователю определяются права на запускприложений, просмотр данных и изменение настроек.
КОМПЛЕКС АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУ ТП
В состав системы включены:
· 4насоса, которые разбиты на две группы – основные и дополнительные;
· ЧП Micromaster 430 фирмы Siemins — коммутируется с однимиз основных насосов;
· программируемыйлогический микроконтроллер DeCont-182 фирмы ДЕП– собирает информацию с датчикови управляет технологическим оборудованием и регулирует давление;
· панельPanelView 550 фирмы Allen-Bradley – отображает текущие параметры системы,аварийные сообщения, предысторию событий, отчет по моточасам, осуществляет вводкоманд оператора.
3.4Режимы работы автоматизированной системы
Предусмотрено два режима работы насосов – штатный иавтоматический.
В штатном режиме управление насосами сохранено от существующихконтакторов и кнопок управления. В автоматическом режиме управление работойнасосов и задвижек осуществляет микроконтроллер.
Регулирование давления воды в коллекторе в автоматическом режимеосуществляется одним из основных насосов. В зависимости от изменения сигнала саналогового датчика, ЧРП меняет частоту вращения электродвигателя насоса. Послераскрутки основного насоса до максимальных оборотов и при дальнейшем снижениидавления, система через мягкий пускатель обеспечивает плавный, при минимальныхпусковых токах и гидродинамических нагрузках, пуск дополнительного насоса. Приэтом, после включения дополнительного насоса, точная регулировка давленияосуществляется основным насосом. При увеличении давления вследствии уменьшенияразбора воды система производит отключение дополнительного насоса и понижаетчастоту вращения двигателя основного насоса до минимальных оборотов. Уставкадавления в коллекторе изменяется автоматически в зависимости от времени суток.Определено три вида уставок: ночная, дневная, вечерняя. Кроме того, системаподдерживает разные уставки давления в выходные и рабочие дни и осуществляетплавный переход с одной уставки на другую.
При неисправности насосов или задвижек, при максимальном илиминимальном давлении на выкиде система автоматически останавливает аварийныйнасос, запускает резервный и продолжает работу на оставшемся исправномоборудовании до вмешательства оператора. Через панель PanelView оператор можетизменять:
· режимработы системы – автоматический/штатный;
· готовностьк пуску насосов – готов/не готов;
· выборосновных и дополнительных насосов;
· уставкидавления воды в коллекторе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предполагается, что после внедрение автоматизированной системыуправления будут обеспечены стабильность давления, надежность работы насосов иувеличение межремонтного периода оборудования, экономия потребляемойэлектроэнергии. Увеличится надёжность системы в целом, за счет устранения«человеческого фактора» и автоматической диагностики системой всех еёэлементов и своевременного устранения возможных аварийных ситуаций.
Экономический эффект от внедрения станций управления, оснащённыхпреобразователями частоты, устройствами плавного пуска, а также объединениястанций управления в единую систему АСУ ТП основан на следующих факторах:
· Прямаяэкономия от снижения потребления электроэнергии при регулированиипроизводительности насосных агрегатов (для разных объектов от 25 до 50%).
· Прямаяэкономия за счёт снижения непроизводительных утечек воды при оптимизациидавления в напорном трубопроводе (не менее 25 — 30 % от общего объёма утечек).
· Экономияфонда заработной платы сокращаемого дежурного персонала.
· Резкогоснижения аварийности на сетях (не менее чем в 5 — 10 раз).
· Увеличениене менее чем в 3 раза ресурса и межремонтных сроков насосов, электродвигателей,коммутационного оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ЖурналСТА.
2. БессекерскийВ.А. Микропроцессорные системы автоматического управления. 1988 г.
3. Программируемыйконтроллеры, техническое описание и инструкция по эксплуатации.
Приложение 1Описание насосов
Центробежные насосы типа «Д»
Насосы типа «Д» центробежные, одноступенчатые с двустороннимвходом жидкости в рабочее колесо и с горизонтальным разделением корпуса.Основными деталями насоса являются корпус, крышка, лабиринтное кольцо, рабочееколесо, вал, корпус подшипника, сальники.
/>
Рис. 1. Насос 350Д90.
В верхней части крышки насоса имеется отверстие с резьбой, кудаподсоединен вентиль для удаления воздуха из насоса. Рабочее колесо установленов середине горизонтального вала, на концы которого насажены подшипники качения.Подшипники установлены в корпусные гнезда. Вал уплотняется сальниковымиуплотнениями, установленные в сальниковые коробки. Сальники состоят из двухсимметричных половинок сальникового фланца, промасленной набивки и сальниковогокольца. Поверхности соприкасания корпуса и крышки уплотняются бумажнойпрокладкой. Направление вращения рабочего колеса обратно движению часовойстрелки, если смотреть со стороны электродвигателя. При работе насоса долженбыть постоянный проток воды через сальники в виде капель или тонкой струйки.
Дренажные насосы
Насосы применяются: для осушения котлованов и траншей, для поливасельскохозяйственных угодий. Насос АНС – дренажный насос центробежный,самовсасывающий, соединенный с электродвигателем посредством упругой муфты с резиновымвкладышем. Вал с рабочим колесом установлен в опоре на двух шариковыхподшипниках и составляет блок рабочего колеса, который устанавливается вкорпусе насоса. Во избежание подсоса воздуха во всасывающую камеру корпусанасоса и попадания воды в подшипниковый узел, на валу установлены резиновыеманжеты. В передней части насоса находится блок клапана, состоящий извсасывающего патрубка, клапана, корпуса клапана. Заливное отверстие на корпусенасоса герметично закрыто резиновой пробкой.
/>
Рис. 2. Насос АНС-130
Принцип работы насоса заключается в том, что при вращении рабочегоколеса происходит интенсивное перемешивание воды в спиральной и напорнойкамерах, соединенных между собой отверстиями, с выделением в атмосферу воздуха,поступающего из всасывающего рукава. По мере его выделения происходит процесссамовсасывания в течение 3-5 минут, затем начинается подача воды.
/>
Характеристики перекачиваемой среды:
Насос ГНОМ 10-10 – переносной, центробежный, погружной, длязагрязненных вод.
/>
Рис. 3.1. Насос ГНОМ 10-10.
Основные узлы насоса:
1-ручка;
2-напорный патрубок;
3-ротор;
4-статор;
5-корпус насоса;
6-торцовое уплотнение;
7-разделительная камера;
8-обрезиненный отвод;
9-рабочее колесо.
Насос представляет собой моноблочную конструкцию, состоящую изгерметизированного вертикального встроенного электродвигателя и насосной части.
Электродвигатель – асинхронный «сухого» исполнения скороткозамкнутым ротором, статором и крышками.
Статор – шихтованный пакет стальных листов, залитых в алюминиевыйкорпус.
/>
Рис. 3.2. Насос ГНОМ 10-10
Ротор – шихтованный пакет листов электротехнической стали,напрессованный на вал. Обмотка ротора – «беличья клетка».
Ротор с валом установлены в двух подшипниках качения.
Охлаждение электродвигателя – перекачиваемой жидкостью.
Электронасос погружается в перекачиваемую жидкость на глубину неменее 300 мм. Жидкость засасывается рабочим колесом через сетку и подается поканалам в кольцевую щель между электродвигателем и кожухом.
Герметизация двигателя на валу осуществляется узлом уплотнения,состоящим из двух самоустанавливающихся торцовых уплотнений. Верхнее работает вмасляной камере и разделяет среды масло – воздух; нижнее – в перекачиваемойсреде и разделяет среды вода – масло.
Для управления работой и защиты электродвигателя электронасоскомплектуется кнопочным постом управления и магнитным пускателем.
Пример условного обозначения: ГНОМ 10-10
Г — для грязной воды;
Н — насос;
О — одноступенчатый;
М — моноблочный;
10 — номинальная подача, м3/ч;
10 — напор, соответствующий номинальной подаче, м.
/>
Приложение2
/>
График почасового потребления горячей воды по городу в целом
/>
График помесячного потребления горячей воды городу в целом