Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения

В основные функции автоматических устройств насосных станций как основного объекта автоматизации систем ВиВ могут быть включены функции:

Формирования и передачи импульсов на пуск и останов агрегатов;

Формирования временной программы пуска и останова агрегатов;

Создания и поддержания необходимого разрежения во всасывающем трубопроводе и насосе, если он не находится под заливом, перед пуском и во время работы;

Включения и отключения насосов в определенной последовательности;

Регулирования напора и производительности насосных агрегатов;

Защита агрегатов от ненормальных режимов и повреждений;

Контроль и сигнализация о режимах и состоянии агрегатов с отображением их на диспетчерских щитах;

Резервирования насосных станций.

На рисунке 21 отражена общая схема автоматизации насосной станции. Для ее реализации необходимо использовать как автоматическое управление отдельными агрегатами, так и регулирование процессов, происходящих на станции. Управление двигателями насосов может быть простейшим на основе релейно-контакторных схем (рисунок 22) и сложным на основе микропроцессорных схем – это зависит от задач, которые ставятся перед системой управления насосами. В настоящее время для электроприводов насосов рекомендуется использовать систему управления «частотный преобразователь-двигатель», основное преимущество которой заключается в энергосбережении при высоких технических характеристиках частотного электропривода.

Рисунок 21 – Общая схема автоматизации насосной станции

На рисунке 22 приведены следующие обозначения: QF – автоматический выключатель; М – двигатель; КК1 и КК2 – тепловые реле; КМ – магнитный пускатель; SB1 и SB2 – кнопки «СТОП» и «ПУСК».

Для пуска трехфазного асинхронного двигателя нажимают кнопку «ПУСК». В результате запитывается катушка магнитного пускателя КМ по цепи: фаза – кнопки «СТОП» и «ПУСК» – замкнутые контакты реле КК1 и КК2 – катушка КМ – «ноль (земля)». В силовой цепи замыкаются линейные контакты КМ.1, а в цепи кнопки «ПУСК» – блок-контакт магнитного пускателя КМ.2. Через контакт КМ.2 катушка КМ становится на самоподпитку, поэтому кнопку «ПУСК», которая выполнена с самовозвратом, можно отпустить. Двигатель запускается. Для отключения М надо разорвать цепь самоподпитки путем нажатия на кнопку «СТОП» или разрыва одного из контактов тепловых реле КК1 или КК2.

Рисунок 22 – Релейно-контакторная схема управления и защиты асинхронного двигателя

В системах управления двигателями насосов множество устройств под общим названием «пускорегулирующие и контролирующие аппараты»: КМ – магнитный пускатель и контактор; КL – промежуточное реле; KH – указательное реле; КТ – реле времени; КК – тепловое реле; КА – реле тока; KV – реле напряжения; резисторы R и потенциометры RP, станции и ключи управления SA. На смену контактным устройствам в управлении приходят бесконтактные и микропроцессорные, имеющие гораздо большие возможности. Рассмотрим схему управления двигателем насоса в функции регулирования уровня воды в резервуаре в релейно-контакторном исполнении (рисунок 23).

На рисунке 23 приведены обозначения: Э 0 , Э 1 , Э 2 , Э 3 – электродный датчик уровня воды в резервуаре, где Э 0 – базовый электрод; РА – реле, регистрирующее аварию на объекте; РУ – реле уровня; РПУ – реле переливного уровня; СР – контакт срабатывания токовых защит двигателя М; ЭП – контакт электродного датчика уровня в приямке насосной станции; Т – трансформатор питания оперативных цепей управления защитой и автоматикой двигателя; h max и h min – максимальный и минимальный допустимый уровень воды в резервуаре.

Станция управления SA позволяет схеме работать в ручном «Р» и автоматическом «А» режиме. Для включения двигателя насоса в ручном режиме надо нажать на кнопку S2 (ПУСК), а в автоматическом – перевести SA в положение «А». Катушка КМ запитывается и двигатель М запускается через линейные контакты пускателя КМ.

Рисунок 23 – Схема управления трехфазным двигателем насоса в функции уровня воды в резервуаре в релейно-контакторном исполнении

Уровень воды в резервуаре начинает повышаться. При достижении уровня h max срабатывает реле РУ и размыкает свои контакты в цепи питания КМ в автоматическом режиме, а в ручном эту операцию выполняет оператор,нажимая на кнопку S1 «СТОП». Если РУ отказало в автоматическом режиме или оператор не сработал, то уровень воды достигает переливного уровня. Тогда срабатывает реле РПУ от электрода Э 3 и замыкает свои контакты в цепи реле РА, которое разрывает свои контакты в цепи питания КМ. Пускатель КМ обесточивается, а двигатель насоса отключается от питающей сети и останавливается. Остановка двигателя наблюдается при появлении воды в приямке насосной, а также от срабатывания токовых (замыкается контакт СР) или тепловых (размыкаются контакты КК1, КК2) защит двигателя.

В автоматическом режиме при возврате в исходное положение контактов КК1 и КК2 понижение уровня воды до h min вызовет включение двигателя насоса. Уровень воды вновь начинает повышаться. Все повторяется вновь.

При управлении насосами может оказаться важным последовательность включения насосов. Покажем это на примере бесконтактного управления двумя насосами в функции уровня воды в резервуаре (рисунок 24 и 25). В таблице 1 приведены логические элементы логики «Т» и их функции, которые использованы в бесконтактном управлении насосами.

Таблица 1 – Логические элементы

1. « НЕ» х y = x Т – 101 3. «ИЛИ» x 1 y = x 1 + x 2 x 2 Т – 106

Продолжение таблицы 1

5. «ИЛИ – НЕ» x 1 y = x 1 +x 2 x 2 Т – 101

S T R

6. RS - триггер x 1 y x 2 Т – 102 Т – 103 7. Задержка x 1 у x 2 Т – 302 Т – 303 (1,0…10с) Т – 304 (9,0…100с) 10. Усилитель

согласования

х y 220 V Т – 401 (40мА, 12V) 11. Равнозначность x 1 = y=x 1 x 2 x 2 _ 12.Неравнозначность x 1 y=x 1 x 2 x 2 _

На рисунке 24 и 25 изображены схема управления двумя насосами и резервуар с водой. Единичный сигнал от датчиков Э1, Э2, Э3 электродного датчика уровня поступит в схему управления насосами только тогда, когда уровень воды в резервуаре достигнет уровня электродов соответственно Э1, Э2, Э3.

В начальном положении схемы тумблеры «1 ИЛИ» и «2 ИЛИ» и «CC» используются для ручного управления насосами. Рассмотрим работу схемы в автоматическом режиме при условии, что вода находится на уровне электрода Э2.

При снижении уровня воды и полном оголении электрода Э2 должен включиться рабочий насос 1. Если уровень воды продолжает снижаться и оголится электрод Э3, то должен включиться дополнительно резервный насос 2, в результате чего появится звуковой сигнал «ЗВ». Для снятия звукового сигнала необходимо включить тумблер снятия сигнала (СС). При работе насосов наблюдается повышение уровня воды в резервуаре до тех пор, пока уровень воды не достигнет электрода Э1. Тогда оба насоса должны быть отключены схемой управления.

Рисунок 24 – Бесконтактное управление логикой включения насосов

Рисунок 25 – Схема управления двумя насосами в функции уровня воды в резервуаре

При автоматизации насоса на напорном трубопроводе устанавливают задвижку с электроприводом переменного или постоянного тока и реверсивным магнитным пускателем. Для определения момента полного открытия или закрытия задвижки устанавливают концевые выключатели.

Открытие напорной задвижки происходит после получения импульса на включение насоса при замыкании контактов реле контроля заливки насоса. Практика показала, что при ранее стандартной схеме пуска насоса, а затем открытия задвижки существует возможность заклинивания задвижки. Поэтому в настоящее время принята следующая последовательность: пуск насоса производится только тогда, когда задвижка откроется на 3…5% полного открытия. Это выполняется с помощью концевых выключателей. Рассмотрим схему управления задвижкой на основе фрагмента полной схемы управления задвижкой (рисунок 26).

Рисунок 26 – Фрагмент схемы управления задвижкой

На рисунке 26: РП и РО – контакты реле пуска и реле отключения; КОЗ и КЗЗ – соответственно пускатели и контакты открытия и закрытия задвижки; КВО и КВЗ – концевые выключатели положения «открыто» и «закрыто» для задвижки; SO и S1 – кнопки открыть и закрыть задвижку.

Управление задвижкой может быть ручным «Р» и автоматическим «А». При установке SA в положение «А» реле РП замыкает свой контакт в цепи катушки КОЗ, заставляя пускатель сработать на открытие задвижки. Одновременно с помощью контакта КОЗ блокируется цепь питания катушки КЗЗ. Это позволяет блокировать работу пускателя на закрытие задвижки при работе схемы управления на ее открытие. Электропривод задвижки открывается полностью, заставляя сработать концевой выключатель КВО, который разрывает цепь питания КОЗ. Это приводит к замыканию контакта КОЗ в цепи пускателя КЗЗ, подготавливая схему управления на закрытие задвижки.

При получении импульса на закрытие задвижки замыкается контакт РО в цепи пускателя КЗЗ. Пускатель срабатывает, блокирует цепь питания пускателя КОЗ открывшимся контактом КЗЗ и закрывает задвижку полностью. В результате срабатывает концевой выключатель КВЗ, рвет цепь питания пускателя КЗЗ и подготавливает схему управления задвижкой к ее открытию.

Ручное управление задвижки отличается от автоматического тем, что сигналы на открытие и закрытие задвижки организуются нажатием кнопок SO и S1.

Современная защита и автоматика агрегатов насосных станций базируется на микроэлектронной или микропроцессорной технике. Для двигателей насосов предлагаются комплексы фазочувствительной комбинированной защиты типа ФУКЗ-М (Латвия), микропроцессорные терминалы РКЗ-М и ЭКТ (г. Красноярск), МКЗиД (г. Новосибирск), SPAC-02 (концерн АВВ) и другие. Комплексы позволяют не только защитить агрегаты, но и выполнить мониторинг сети, состояния оборудования, совместить комбинированное управление с защитами, включая технологические, и мониторингом различных параметров объекта.

Любой владелец загородного дома или дачи мечтает об обустройстве независимого водоснабжения от скважины или колодца особенно, если поблизости не проходят сети централизованного водоснабжения. Главным элементом такой автономной системы является насос. Однако чтобы получить бесперебойную работу оборудования и оптимальный расход электричества, необходимо устанавливать целые насосные станции с автоматическими контролирующими системами или приобретать обычный агрегат и докупать оборудование, которое будет выполнять автоматическое управление водяным насосом. В нашей статье мы расскажем, что собой представляет эта автоматика, и как её правильно подобрать.

Автоматика для скважины состоит из следующих элементов:

1. Распределяющее коллекторное устройство. С помощью него удаётся добиться подачи воды в нужные точки водозабора в доме и на участке.
2. Реле, регулирующее работу запуска и остановки насосного оборудования. Оно позволяет оптимизировать давление в системе. Как правило, реле продаются с настройками производителя, но при необходимости их можно перенастроить под параметры насоса и системы.
3. Манометр для измерения рабочего давления.
4. Датчик сухого хода.

Автоматика для насосной станции должна быть дополнена следующими узлами:

1. Блок для регулировки мощности насосного оборудования. С его помощью можно поддерживать оптимальные условия работы.
2. Защитная система, состоящая из трёх узлов – датчика работы «на сухую», защиты от перегрева и датчика разрыва напорной магистрали.

Преимущества и недостатки автоматики

Среди плюсов блоков автоматического управления насосным оборудованием можно перечислить следующее:

• Такие устройства рассчитаны на работу с определёнными типами насосного оборудования, поэтому вам не составит труда подобрать нужное изделие, совместимое с вашим насосом.
• Поскольку агрегат полностью готов к работе, вам не нужно самостоятельно подыскивать нужные узлы, комплектовать их в один блок и координировать работу.
• Благодаря автоматике обеспечивается плавный и безопасный запуск насоса, его мощность настраивается под работу в установленном режиме. Вы можете не наблюдать за работой системы, за вас всё выполнит автоматика.

Однако у таких устройств есть и свои минусы, среди которых стоит отметить следующие:

• При покупке по отдельности вы можете подобрать оптимальное оборудование для конкретной насосной станции или насоса.
• Блок автоматики обычно используется в комплексе с гидроаккумулятором, которой вам придётся купить отдельно.
• При использовании в скважине вибрационного насоса требуется соблюдать определённое входное давление (0,3 атм.), а автоматика рассчитана на другие показатели. Всё дело в том, что вибрационное насосное оборудование не предназначено для работы в условиях большой разницы давлений.

Схемы автоматики

Как правило, используются две схемы автоматического контроля:

• Первая схема позволяет выполнять контроль по уровню . Этот вариант подходит в том случае, если вода качается в ёмкость или водонапорную башню. Для транспортировки жидкости к точкам водопотребления используются насосные агрегаты второго подъёма. Автоматизированная система запускает реле, которое контролирует уровень. Когда жидкость опускается до установленного нижнего предела уровня, насосное оборудование запускается. В тот момент, когда вода достигает верхнего установленного уровня, насос отключается. Для контроля используются поплавковые выключатели. Для защиты от перелива применяется устройство аварийного слива. По такой схеме можно подключить к системе водоснабжения многоквартирные дома или посёлки. Это надёжная и безопасная система, гарантирующая стабильную работу всего оборудования. Но её использование для водоснабжения одного частного дома нецелесообразно.
• Вторая схема основана на контроле по давлению . Главный элемент в этом варианте – реле давления. Для осуществления контроля на агрегате устанавливаются параметры предельного верхнего и нижнего давления для запуска и остановки насосного оборудования. Такая схема подходит для систем водоснабжения, которые работают с использованием гидроаккумулятора. Эти мембранные баки позволяют поддерживать оптимальное давление в системе водоснабжения и компенсируют гидроудары.

Вторая схема подходит для обустройства автономной подачи воды в частный дом с гидроаккумулятором. Как правило, предельные показатели давления на реле устанавливаются в диапазоне базовых рабочих характеристик насосного оборудования. Для регулировки используют гайки на большой и малой пружине, которые находятся под крышкой на реле. Как производить настройку этого агрегата, мы рассматривали в наших других статьях.

Выбор реле

Если для водоснабжения своего дома вы выбрали схему контроля давления, то с особой тщательностью стоит подойти к выбору реле. Они делятся на промышленные и бытовые. Их классификация основана на технических характеристиках прибора, его сложности и точности.

Если для блока автоматики вы решили выбрать промышленное реле, то вам могут подойти модели марки Condor модификация FF4 или модель марки Danfoss модификация KPI. Это более дорогие и точные агрегаты со значительным рабочим ресурсом. Они подключаются через внешний пускатель. В сравнении с бытовыми моделями это более надёжные механизмы.

При выборе для блока автоматики бытовых реле вам стоит обратить внимание на модели марки R Condor модификация MDR или прибор марки Telemecanique модель XMP. Эти изделия не отличаются такой высокой точностью, как промышленные, но стоят гораздо дешевле.

Автоматика защиты от работы «на сухую»

Иногда возникает ситуация, когда насосное оборудование вместо воды втягивает воздух. Такая работа называется сухим ходом. Она может привести к поломке прибора из-за выхода из строя электродвигателя. Ситуация с работой «на сухую» может возникнуть в таких случаях:

• Если при монтаже погружных насосов динамический уровень воды в скважине или колодце определён неверно.
• В случае засорения входного патрубка на приборе вода не может всасываться в нужном объёме.
• Когда в системе используется поверхностный насосный агрегат, может нарушиться герметичность подающего трубопровода.
• При использовании глубинного насоса такая ситуация может возникнуть из-за значительного уменьшения количества воды или её отсутствия.

Важно: причиной работы «на сухую» в любом случае является нехватка воды. Для решения проблемы нужно правильно выбрать модель погружных и поверхностных насосов, исходя из их производительности. Кроме этого необходимо использовать защитный блок автоматики.

В качестве предохранителей в таком защитном блоке могут использоваться следующие изделия:

• поплавковый механизм;
• реле давления, дополненное защитой от работы «на сухую»;
• пресс-контроль.

Разновидности поплавковых механизмов

Поплавковый выключатель – это наиболее простой механизм защиты от работы «на сухую». Эти устройства используют, если подача жидкости осуществляется из накопительных баков или колодцев. Существуют разные поплавковые блоки защиты, но не все они подходят для насосного оборудования. Для данных агрегатов не подходят поплавковые механизмы, которые рассчитаны на защиту от перелива. Поэтому при выборе стоит учитывать назначение той или иной модели.

Поплавковый защитный блок имеет контакты, которые размыкаются при понижении уровня воды. Агрегат монтируют таким образом, чтобы при срабатывании механизма и отключении насосного оборудования в колодце или накопительном резервуаре ещё оставалось какое-то количество воды. Это позволит предотвратить перегрев электромотора насосного агрегата.

Реле давления с защитой от работы «на сухую»

Эта автоматика для скважинных насосов очень напоминает обычное реле давления, но только дополненное защитной функцией, которая позволяет размыкать контакты при снижении давления ниже установленных показателей. Обычно такое реле продаётся с заводскими настройками, которые нельзя изменить. Как правило, автоматическое отключение насосного оборудования происходит в тот момент, когда давление воды достигает отметки 0,4-0,6 атм. Обычно при таком давлении воды в насосном оборудовании уже не будет.

Стоит отметить, что такой блок автоматики не работает на включение насосной станции, так что запуск агрегата после появления воды владельцу придётся выполнять вручную. Причём система сможет снова функционировать только в том случае, если причина работы «на сухую» устранена. Обычно такие защитные устройства приобретаются для погружных насосов, но они могут работать и с поверхностными агрегатами.

Пресс-контроль

Второе название этого оборудования – реле потока. Это автоматическая система, которая позволяет регулировать работу электронасоса. Такой блок автоматики позволяет выполнять запуск насосного оборудования в момент открывания крана в доме. Как только кран закрывают, реле потока отключает насосный агрегат. Отключение происходит не сразу, а после 15-ти секундной паузы. Это позволяет сократить частоту срабатывания агрегата.

Помимо этого пресс-контроль отключает насос при понижении давления в системе до 1,5-2,5 атм. (показатели могут быть и другими в зависимости от настроек). Данная автоматика больше подходит для поверхностного насосного оборудования, но если погружной насос запускается редко, то такой блок подойдёт и для него.

Наиболее известны следующие виды систем водоснабжения.

1. Хозяйственно-питьевое водоснабжение (ГВС и ХВС) . Назначением хозяйственно-питьевого водоснабжения является удовлетворение бытовых потребностей людей, а также санитарно-гигиенических нужд. Отличительной особенностью питьевого водоснабжения от производственного является подача воды, свободной от вредных химических примесей и болезнетворных бактерий. Бывает двух видов: горячее и холодное.

Хозяйственно-питьевое является наиболее сложной из систем водоснабжения с точки зрения автоматизации. Максимально возможная экономия ресурсов осуществляется за счет управлением системой горячего водоснабжения.

В наиболее простом случае, система горячего водоснабжения состоит из водонагревательной установки и трубопроводов для передачи горячей воды к водоразборным приборам.

Системы горячего хозяйственного водоснабжения классифицируют по нескольким признакам.

По способу подачи воды на горячее водоснабжение различают:

• Закрытые системы. Вода из тепловых сетей используют только в качестве энергоносителя. Подача воды на горячее водоснабжение осуществляется через водо-водяные теплообменники.
• Открытые системы. Вода из тепловой сети используется для приготовления и подачи воды в систему горячего водоснабжения (например, смешивается).

По способу подогрева воды системы ГВС бывают:

• Централизованные. Одна водонагревательная установка обслуживает как минимум одно здание, и более зданий в пределах одного квартала (микрорайона) или поселка. Такие системы установлены в большинстве многоквартирных домов. Ввод горячей воды в дом и ее распределение происходит в ИТП.
• Децентрализованные. Приготовление горячей воды происходит вблизи водоразборных приборов (например, поквартирно или непосредственно в санузлах) и осуществляется небольшими генераторами тепла: газовыми нагревателями, электрическими тэнами и т. п.

По способу поддержания температуры (обеспечение комфорта пользователя) системы ГВС могут быть:

• Бесциркуляционными, которые состоят только из подающих трубопроводов. Основной недостаток таких систем - остывание воды в трубопроводах при перерывах в потреблении. Открывая кран, например, утром, потребитель получает воду с пониженной температурой и начинает сливать эту воду в канализацию до того, как вода в кране прогреется. Системы без циркуляции являются наиболее простыми по устройству и дешевыми по первоначальной стоимости.
• Циркуляционные системы. В таких системах, находящаяся в трубах горячая вода непрерывно циркулирует, проходя через котел или теплообменник. В системах с поверхностными подогревателями циркуляция, как правило, обеспечивается центробежными насосами. В отдельных случаях циркуляция воды в системах горячего водоснабжения может обеспечиваться действием гравитационных сил.

2. Противопожарный водопровод . Создаётся в рамках системы пожарной безопасности, его предназначение - подача воды в систему водяного пожаротушения и наружные гидранты.

3. Производственное водоснабжение . Создаётся для подачи воды, используемой в технологических процессах.

4. Поливочное водоснабжение . Применяется для полива клумб и зеленых насаждений, а также для мойки территории двора, тротуаров, оборудования и полов.

Практически для всех видов водоснабжения, наружный водопровод доставляет воду по магистралям из распределительной сети города, а внутренний - поставляет воду по всему зданию (объекту), границей между ними является водосчетчик.

Системы канализации бывают:

Внутренняя канализация . Её задача - отвод сточных вод, образование которых происходит во время выполнения хозяйственно-бытовых работ или в результате санитарно-гигиенической деятельности человека.

Ливневая канализация . Применяется для отвода атмосферных осадков.

Автономная канализация . Предназначена для очистки сточных вод «на месте» для дальнейшего сброса их в водоемы хозяйственного назначения или грунт.

Автоматизация горячего водоснабжения

Как было упомянуто, горячее водоснабжение может быть централизованным и местным.

В местных системах горячего водоснабжения подогрев воды осуществляют локально, в газовых водонагревателях или колонках, с учетом того, что каждый нагреватель имеет собственную систему автоматики, разрабатывать интегрированную систему автоматизации нет смысла, достаточно обеспечить хорошую теплоизоляцию трубопроводов и вывести (при необходимости) данные о работе установки на пульт управления зданием.

Иногда целесообразно осуществлять управление электрическим котлом, в зависимости от присутствия людей в здании (показания датчиков движения или СКУД).

В системах централизованного отопления или водоснабжения, автоматизации подлежит все технологическое оборудование: циркуляционные насосы, клапаны и вентили трубопроводов, оборудование теплообменников и радиаторов, подогреватели и т.п. Проект автоматизации ГВС разрабатывается совместно с проектом автоматизации ИТП .

Основная цель автоматизации систем ГВС - поддержание в системе заданного давления и температуры, кроме того автоматизация систем горячего водоснабжения выполняет следующие задачи:

• Повышения надежности теплоснабжения и горячего водоснабжения потребителей;
• Уменьшение зависимости от «человеческого фактора», возможность эксплуатации без постоянного присутствия оперативного персонала
• Оптимизации отпуска и потребления тепла, снижения коммунальных расходов;
• Снижения затрат электрической энергии в насосных установках;
• Увеличения ресурса работы и облегчение эксплуатации технологического оборудования;
• Контроля состояния технологического оборудования и технологических параметров;
• Оперативной передачи предупредительной и аварийной информации на диспетчерский пункт.

Автоматизация холодного водоснабжения

Автоматизация систем холодного водоснабжения предназначена для поддерживания постоянного давления в системе, не зависящего от давления на входе и расхода воды. К щитам автоматики подключают такое оборудование как реле давления, контроллеры сухого хода, манометры, пусковые и защитные автоматы насосов, блоки питания, поплавковые выключатели и т.п.

В результате автоматизации, в системах ХВС удается снизить расход воды, повысить ресурс работы оборудования и уменьшить эксплуатационные расходы, снизить затраты на электроэнергию, а также уменьшить возможность возникновения аварийных ситуаций.

Автоматизация систем водоотведения (канализации)

Автоматизация системы водоотведения предполагает контроль выполнения относительно небольшого количества процессов, связанных с контролем работы за насосами, и заполнения дренажных приямков. В большинстве случаев, алгоритм работы системы универсален - при заполнении приямка, включить насос, при отсутствии воды в приямке, выключить насос. Дополнительно на пост диспетчера передается информация о работоспособности оборудования. Основные задачи системы автоматизации канализации:

Подходы к построению автоматизированной системы

В основу разработки автоматизированных систем (АС) положены следующие принципы:

• Принцип развития - возможность масштабирования и обновления. АС создается с учетом возможности постоянного совершенствования ее функций и возможности расширения;
• Принцип совместимости - обеспечение взаимодействия различных АС, в едином процессе при их совместном функционировании (для объектов жилищно-коммунального строительства этот принцип обеспечивает система интеллектуального здания);
• Принцип стандартизации и унификации предполагает, по возможности, применение типовых, унифицированных и стандартизированных схем и элементов функционирования АС;
• Принцип эффективности заключается в достижении рационального соотношения между затратами на создание АС и экономическим эффектом, получаемым при ее функционировании.

Хозяйственно Разработка автоматизированной системы управления водоснабжения и водоотведения один из основных разделов проектной документации. Для современных систем водоснабжения, указанные принципы должны соблюдаться в максимальном объеме, системы водоотведения существенно проще, поэтому часто при их разработке не учитывается принцип развития.

Проектирование систем автоматизации водоснабжения и водоотведения

Технология системы водоснабжения разделяет два этапа обработки воды - В технологическом процессе водоснабжения можно выделить два подпроцесса — подъем и подготовку воды, распределение и подачу. Исходя из этого, автоматизация водоснабжения заключается в:

• Автоматизации управлением насосными станциями подъема и водоочисткой (фильтры, расход, распределение по стоякам и др.);
• Автоматизация подачи и распределения воды в частях здания.

Целью управления при функционировании АСУ ТП водоснабжения является обеспечение гарантированного и комфортного водоснабжения потребителей с минимальными эксплуатационными затратами.

Профессионально выполненный проект систем автоматизации водоснабжения и канализация позволяет заказчику контролировать выполнение работ на каждом этапе, от монтажа до пуско-наладки и сдачи в эксплуатацию.

ХВС и ГВС являются сложными системами жизнеобеспечения, разработка которых включает в себя гидравлические расчеты, составления аксонометрических схем, выбора расположения и мощности насосного и водонагревательного оборудования, разработка алгоритмов взаимодействия элементов систем и управления ими.

Автоматизацию системы ВиК можно условно декомпозировать на три крупные подсистемы - хозяйственного питьевого водоснабжения, водомерного узла и системы дренажных приямков. Систему канализации

В проекте автоматизации предусматривают оборудование контроля работоспособности основного и резервного насосов, возможности отключения оборудования по сигналу от противопожарных систем, контроль параметров систем, описывают алгоритмы работы для рабочих режимов. Проект разрабатывается с учетом проекта ИТП.

Типовой проект может содержать:

Экономический эффект от внедрения системы автоматизации

Экономический эффект за счет разработки систем автоматизации водоснабжения и канализации обуславливается, в основном экономией энергии на подогрев, оперативного определения мест тепловых потерь, диагностирования проблем при водоотводе. Основные факторы экономии:

• Снижение расхода электроэнергии на подъем и транспортирование воды, подачу воздуха на очистных сооружениях и др.;
• Снижение расходов на ремонт и техническое обслуживание оборудования;
• Снижение стоимости аварийно-восстановительных работ вследствие быстрого обнаружения и сокращения числа аварий;
• Уменьшение количества обслуживающего персонала.

Затраты на внедрение и эксплуатацию

Как свидетельствует практика, с внедрением автоматизации систем водоснабжения общепроизводственные расходы возрастают с 11 до 15 % за счет закупки и обслуживания на объекте нового оборудования.

Наряду с этим, расходы на ресурсы (электричество, отопление и т.д.) уменьшаются на 4%, сокращаются расходы на ремонт - с 25 до 10 % и на эксплуатацию объекта - с 50 до 20 %.

Стоимость одного кубометра воды по отношению к периоду до внедрения автоматики снижается на 45 %.

Системы водоснабжения и канализации относятся к числу основных инженерных сетей.

На обеспечение функционирования этих систем приходится значительная доля общих затрат на эксплуатацию зданий. В связи с этим сегодня широкое применение получает автоматизация систем водоснабжения и водоотведения, с помощью которой значительно повышается эффективность их работы, снижаются затраты и аварийность, обеспечивается бесперебойное функционирование коммуникаций.

Профессиональные услуги по автоматизации систем водоотведения и водоснабжения предлагает компания «Акрукс-Про». Мы имеем многолетний опыт работы в данной сфере и беремся за заказы даже самого высокого уровня сложности, обеспечивая оптимальный результат. Подтверждением этому может служить большое количество успешно реализованных проектов автоматизации для крупных объектов жилого, производственного, коммерческого, общественного назначения в Санкт-Петербурге, Ярославле и других городах.

Объекты автоматизации

Автоматизация инженерных сетей водоснабжения и водоотведения зданий и сооружений предусматривает автоматическое управление основными функциональными элементами систем. К числу таких элементов относятся:

• насосные станции, в том числе повысительные станции;
• трубопроводная запорная и регулирующая арматура;
• водоприемные сооружения;
• фильтровальные станции;
• очистные сооружения;
• насосные канализационные станции.

Обеспечив эффективное автоматическое управление этими узлами, удается поддерживать параметры всей системы на заданных значениях и полностью контролировать ее работу.

Основные компоненты системы автоматизации

В состав системы автоматизации водоснабжения и водоотведения входят следующие основные компоненты:

• датчики - устройства, обеспечивающие измерение и контроль рабочих параметров;
• измерительные преобразователи - устройства, которые преобразуют измеряемую величину в измерительный сигнал, удобный для последующей обработки данных;
• модули ввода данных - устройства, преобразующие сигналы от датчиков в цифровую форму с последующей передачей данных на контроллер;
• модули вывода данных - устройства, передающие данные от контроллера к исполнительным устройствам;
• контроллер - программируемое устройство управления. Осуществляет обработку поступающих данных, на основании чего формируются управляющие импульсы, которые направляются на исполнительные устройства;
• исполнительные устройства - устройства, которые оказывают непосредственное воздействие на процесс работы системы водоснабжения или водоотведения в соответствии с командами контроллера. К числу исполнительных устройств относятся электродвигатели, гидравлические и пневматические приводы, релейные установки и другое оборудование.

Цели автоматизации

Автоматизация систем водоотведения и водоснабжения позволяет значительно повысить эффективность их эксплуатации, обеспечивает надежную, бесперебойную и безопасную работу коммуникаций.

Установка системы автоматизации позволяет получить следующие ключевые преимущества:

• оптимизация технологического процесса получения и транспортировки воды. Это позволяет значительно сократить износ насосов и другого оборудования;
• повышение качества воды, подаваемой потребителям. Контроль температуры горячей воды в сетях ГВС, в том числе в зависимости от внешних условий и в соответствии с заданными графиками;
• обеспечение оперативного контроля за работой инженерных систем. Автоматика оперативно извещает о внештатных ситуациях, блокирует аварийные участки, что позволяет избежать серьезного ущерба и позволяет своевременно начать восстановительные работы;
• обеспечение оптимизированного расходования ресурсов.

Благодаря автоматизации систем водоснабжения и отведения удается значительно сократить расходы на их эксплуатацию и обслуживание. Общий объем экономии может превышать 30%.

ВВЕДЕНИЕ

1.1 Система водоснабжения как объект автоматизации

1.2 Виды водоснабжения

2.1 Структурная схема АСУ ТП водоснабжения

2.2 Подбор необходимых датчиков, исполнительных механизмов и мест их расположения

5) Резервуары для воды выбраны: РВС-100 и РВС-200 (100 и 200 м 3 - резервуар 1 и 2 соответственно)

2.5 Функциональная схема технологического объекта

3.1 Алгоритм функционирования СУ технологического объекта

3.4 Алгоритм остановки системы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приложение А

Приложение Б

Введение

Ускорение научно-технического прогресса и интенсификация производства невозможны без применения средств автоматизации. Характерной особенностью современного этапа автоматизации состоит в том, что она опирается на революцию в вычислительной технике, на самое широкое использование микропроцессорных контроллеров, а также на быстрое развитие робототехники, гибких производственных систем, интегрированных систем проектирования и управления, SCADA-систем.

Применение современных средств и систем автоматизации позволяет решать следующие задачи:

вести процесс с производительностью, максимально достижимой для данных производительных сил, автоматически учитывая непрерывные изменения технологических параметров, свойств исходных материалов, изменений в окружающей среде, ошибки операторов;

управлять процессом, постоянно учитывая динамику производственного плана для номенклатуры выпускаемой продукции путем оперативной перестройки режимов технологического оборудования, перераспределения работ на однотипном оборудовании и т. п.;

автоматически управлять процессами в условиях вредных или опасных для человека.

Решение поставленных задач предусматривает целый комплекс вопросов по проектированию и модернизации существующих и вновь разрабатываемых систем автоматизации технологических процессов и производств.

В данном курсовом проекте рассматривается автоматизация системы водоснабжения.

1. Обзор технической литературы

1 Система водоснабжения как объект автоматизации

Многочисленные потребители требуют воду: как различного качества, так и разное его количество. Количество и качество воды, необходимое каждому предприятию, определяется характером и масштабом его основного производства. В свою очередь, эффективность работы предприятия часто сильно зависит от организации снабжения его водой требуемых параметров.

Прекращение подачи воды даже на несколько минут для многих предприятий означает массовый брак продукции, а часто и аварийный выход из строя отдельных технологических аппаратов и установок.

Подача некачественной воды (грязной, жесткой и т.п.) так же приводит к появлению брака, снижению производительности и экономичности технологических аппаратов, а часто и к аварийному выходу из строя отдельных их элементов.

С внедрением в производство автоматической системы управления технологическими процессами значительно повышается надежность системы водоснабжения и обеспечивается высокая производительность предприятия.

1.2 Виды водоснабжения

Вода расходуется различными потребителями на самые разнообразные нужды. Тем не менее все виды водопотребления можно свести к трем основным категориям.

А. Хозяйственно-питьевое водопотребление.

) на утоление жажды рабочих и служащих предприятия, приготовления пищи и мытья посуды в столовых и буфетах;

) для помывки рабочих и служащих предприятия в душевых и умывальниках;

) на стирку в заводских прачечных, уборку помещений, цехов и т.п.;

) на полив зеленых насаждений, тротуаров и т.п.

Б. Производственно-техническое водопотребление.

Потребители этой воды сведены в группы. При этом вода расходуется:

) в качестве теплоносителя для охлаждения продуктов производства и технологических аппаратов, с целью обеспечения необходимого температурного уровня либо процессов, либо оборудования.

Например, защита оборудования от прогара, для конденсации паров хладагента в холодильных установках, водяного пара в паротурбинных установках, охлаждения компрессоров и т.п. В этом случае вода обычно не загрязняется, только нагревается.

Эта группа водопотребителей самая значительная, на ряде производств она расходует 70-90% всего количества производственной воды;

) для выработки пара в паровых котлах, системах испарительного охлаждения и других утилизационных установках.

На эту группу потребителей расходуется от 2 до 20% всей производственной воды;

) на промывку различных материалов, машин, деталей, мокрую очистку газов, вентвыбросов и т.п. Вода при этом сильно загрязняется;

) на гидротранспорт, гравитационное обогащение материалов, гидрозолоудаление. Загрязнение тоже сильное, главным образом механическими примесями;

) на приготовление растворов, электролитов и т.п. Это характерно для химической и рудообогатительной (при флотации руд) промышленности, электрохимического производства и т.п.;

) для комплексного использования. В этом случае вода служит средой охлаждающей, поглощающей, транспортирующей и т.п.

Например, очистка дымовых газов, мокрое тушение кокса, грануляция шлаков и т.д.

На потребителей групп 3) - 6) может расходоваться от 5 до 15% всего количества производственной воды.

В. Пожарное водопотребление.

Вода расходуется на тушение пожаров и внутренних возгораний.

1.3 Основные элементы системы водоснабжения

Система водоснабжения - это комплекс сооружений для обеспечения потребителей водой в требуемых количествах и требуемого качества.

В состав системы водоснабжения входят следующие сооружения:

а) водоприемные сооружения (водозабор);

б) водоподъемные сооружения (насосные станции);

в) сооружения для очистки, обработки и охлаждения воды;

г) водоводы и водопроводные сети;

д) башни и резервуары. Это регулирующие и запасные емкости для сохранения и аккумулирования воды.

На состав и схему системы водоснабжения большое влияние оказывают местные природные условия, источник водоснабжения и характер потребления воды. Поэтому в некоторых случаях могут отсутствовать те или иные сооружения. Например, в самотечных системах отсутствуют насосные станции, в системах водоснабжения от артезианских скважин нет очистных сооружений, при равномерном графике потребления не устанавливают водонапорные башни или резервуары и т.п.

На предприятиях может быть несколько систем водоснабжения одновременно. Например, отдельно системы производственно-технического, хозяйственно-питьевого назначения.

1.4 Описание технологического процесса прямоточного водоснабжения

Прямоточная система применяется для хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения. В некоторых случаях применяется и для производственно-технического водоснабжения.

На рис.1 приведена схема взаимосвязи основных элементов в прямоточной системе водоснабжения. Именно по такой схеме осуществляется водоснабжение городов, поселков и других населенных пунктов.

Рис. - Схема прямоточной системы водоснабжения: 1 - водозабор; 2.1 - насосная станция 1-го подъема; 3.1 - очистные сооружения природной воды; 3.2 - очистные устройства для загрязненных стоков; 4.1 - резервуар чистой воды; 5 - водоводы; 6 - водонапорная башня (резервуар); 7.1-7.6 - потребители воды (цеха, здания); 8 - водопроводная сеть; 9 - сеть трубопроводов для сбора отработавшей воды; 10 - водоохлаждающее устройство.

При работе этой системы вода забирается из источника с помощью водозаборного устройства 1 и подается насосами насосной станции 1-го подъема (НС 1) на очистные сооружения 3.1. Здесь обычно вода идет самотеком. Очищенная до необходимого качества она собирается в резервуаре очищенной воды 4.1. Отсюда насосами насосной станции 2-го подъема (НС 2) вода по водоводам 5 подается на территорию предприятия. Из водоводов вода попадает в водопроводную сеть 8 и подается потребителям 7.1-7.6.

Присоединенная к сети регулирующая емкость 6 позволяет сглаживать влияние пиков водопотребления на работу насосов НС 2. Она может быть установлена в любой точке водопроводной сети.

Вся отработавшая вода сбрасывается в источник ниже (по течению) места забора воды. При необходимости эта вода очищается и охлаждается перед сбросом. В этом случае в системе предусматриваются устройства 3.2 и 10.

Недостатки прямоточной системы водоснабжения:

а) производительность всех элементов приходится выбирать из условия покрытия максимума суточного расхода. Это увеличивает размеры сооружений и мощности всех элементов системы, что удорожает ее. Возрастает и удельный расход энергии из-за работы насосных агрегатов бóльшую часть времени в нерасчетном режиме;

б) необходим источник с достаточным дебитом воды. Часто он удален от предприятия и приходится сооружать длинные водоводы. Это тоже ведет к удорожанию и снижению надежности системы;

в) в прямоточной системе вся отработавшая вода сбрасывается в природные водоемы. Эти водоемы должны обладать способностью поглощать эти сбросы без нарушения экологического равновесия.

Прямоточная система обеспечивает подачу наиболее качественной воды. Она единственно возможна там, где исключается повторное использование воды. Это в хозяйственно-питьевом и противопожарном водоснабжении.

В техническом водоснабжении часто можно обходиться без очистных сооружений, что удешевляет систему и увеличивает ее надежность.

2. Разработка функциональной схемы автоматизации процесса

1 Структурная схема АСУ ТП водоснабжения

При разработке системы автоматизированного управления технологическим процессом водоснабжения необходимо реализовать автоматизированное рабочее место оператора с программным обеспечением, взаимодействующим с контроллером. Также необходимо определить необходимые датчики, которые будут предоставлять информацию о состоянии процесса и исполнительные механизмы, воздействующие на объект.

Структурная схема АСУ ТП производства сухого молока приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема

2.2 Подбор необходимых датчиков, исполнительных механизмов и мест их расположения.

Для того чтобы разработать функциональную схему, необходимо сначала определить какого рода информация будет отображаться на ОС, т.е. нужно определить места установки датчиков и их характеристики. Также нам необходима обратная связь с объектом управления, чтобы мы могли оказывать управляющее воздействие. Для этого необходимо подобрать соответствующие исполнительные механизмы. Т.к. разрабатываемая схема функциональная, то достаточно будет определить задачи, решение которых возлагается на тот или иной исполнительный механизм и место его установки.

Описание технологического объекта, приведенное ранее, позволяет определить необходимые датчики:

§уровня воды в резервуаре (датчики устанавливаются в резервуары 1, 2);

§показателя pH в воде (устанавливаются в резервуар 1);

Выбор датчиков и исполнительных механизмов:

1) Контролировать необходимое количество воды в емкостях необходимо датчиками уровня. Для этих целей нам подойдут бесконтактные сигнализаторы уровня БСУ, которые имеют один входной параметр (уровень), а также малую погрешность ±1,5 мм. Выходной сигнал с датчика - дискретный. На функциональной схеме датчики уровня, согласно ГОСТ 21.404-85 буквенные условные обозначения, будем обозначать буквами LE.

) Контроль показателя pH будет производить PH-018 (ЭкоЮнит).

водоснабжение автоматизация контроллер

Рисунок 3 - PH-018

Область применения: мониторинг и контроль pH в промышленных аквариумах, бассейнах, котлах, в промышленных системах подготовки воды и т.д.

Характеристики:

·Диапазон измерения pH: 0.00 - 14.00

·Встроенный сенсор для автоматической компенсации температуры (от 0 до 100°C)

·Рабочая среда 0-50°C, влажность не более 95%

·Цена деления 0.01pH

·Погрешность +/- 0.02pH

·Токовый выход (для подключения к компьютеру): 4-20 мА

·Входное сопротивление 10*12 Ом

·Калибровка с помощью калибровочной отвертки (в комплекте)

·Питание: переменный ток 220В, 50Hz

·Размеры 96 x 96 x 160 мм

·Вес 950 г

) В качестве системы очистки воды выбран Nimbus MN800.

Рисунок 4 -Nimbus MN800

Это высокопроизводительная система очистки воды методом обратного осмоса с возможностью использования накопительного бака различного объема.

Система предназначена для работы в тяжелых условиях с плохим качеством исходной воды, а также может использоваться для очистки воды с низким давлением подачи.

Характеристики:

·Производительность: 1900л/сут, 2л/мин;

·Давление, мин - 1атм, макс 12 атм;

·Степень очистки: 96% всех растворенных веществ (вкл. органику и неорганику);

·Размер мембраны: 2.5"х25", макс восстановление 33%;

·Колво мембран - 2;

·10" Кальцитовый постфильтр для понижения уровня pH (опция);

·Материал корпуса мембранных отсеков - нерж сталь;

·Насос повышающий давление, 250Вт;

·Размеры: 1050х480х405мм, вес 42кг.

4) На насосы необходимо поставить пусковые устройства, позволяющие включать и выключать двигатели. Данные устройства работают с аналоговыми сигналами. Обозначение на функциональной схеме NS.

5) Резервуары для воды выбраны: РВС-100 и РВС-200 (100 и 200 м3 - резервуар 1 и 2 соответственно).

2.3 Схема информационных потоков АСУ технологическим объектом

Выбранные датчики, исполнительные механизмы и их месторасположение, а также структурная схема АСУ ТП производства сухого молока позволяют составить схему информационных потоков в АСУ технологическим объектом.

На схеме обозначены направления потоков, а также вид сигнала (аналоговый, цифровой, разрядность).

Схема информационных потоков приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема информационных потоков

Входные потоки:

1.Уровень воды в резервуаре 1 (1)

2.Уровень воды в резервуаре 1 (2)

.Уровень воды в резервуаре 2

Выходные потоки:

1.К насосу 1

2.К насосу 2

.К насосу 3

2.4 Выбор контроллера для автоматизированной системы

Для контроля данной системы был выбран контроллер ОВЕН ПЛК 110-30

Рисунок 6 - ОВЕН ПЛК 110-39

Программируемые логические контроллеры ОВЕН ПЛК110-30 выполнены в полном соответствии со стандартом ГОСТ Р 51840-2001 (IEC 61131-2), что обеспечивает высокую аппаратную надежность.

По электромагнитной совместимости контроллеры соответствуют классу А по ГОСТ Р 51522-99 (МЭК 61326-1-97) и ГОСТ Р 51841-2001, что подтверждено неоднократными испытаниями изделия.

·В системах HVAC

·В сфере ЖКХ (ИТП, ЦТП)

·В АСУ водоканалов

·Для управления малыми станками и механизмами

·Для управления пищеперерабатывающими и упаковочными аппаратами

·Для управления климатическим оборудованием

·Для автоматизации торгового оборудования

·В сфере производства строительных материалов

Оптимально для построения распределенных систем управления и диспетчеризации с использованием как проводных, так и беспроводных технологий.

Вычислительные ресурсы

В контроллере изначально заложены мощные вычислительные ресурсы при отсутствии операционной системы:

·высокопроизводительный процессор RISC архитектуры ARM9, с частотой 180МГц компании Atmel;

·большой объем оперативной памяти - 8МБ;

·большой объем постоянной памяти - Flash память, 4МБ;

·объем энергонезависимой памяти, для хранения значений переменных - до 16КБ;

·время цикла по умолчанию составляет 1мс при 50 логических операциях, при отсутствии сетевого обмена.

Условия эксплуатации

·Расширенный температурный рабочий диапазон окружающего воздуха: от минус 10 °С до +50 °С

·Закрытые взрывобезопасные помещения или шкафы электрооборудования без агрессивных паров и газов

·Верхний предел относительной влажности воздуха - 80 % при 25 °С и более низких температурах без конденсации влаги;

·Атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа

Конструктивные особенности

Контроллеры выполнены в компактном DIN-реечном корпусе. Габаритные и установочные размеры отличаются в зависимости от модификации, и приведены в конце раздела.

Расширение количества точек ввода\вывода осуществляется путем подключения внешних модулей ввода\вывода по любому из встроенных интерфейсов.

Электрические параметры

Два варианта питания для каждого контроллера:

·переменный ток: (90-265)В, (47...63)Гц;

·постоянный ток: (18-29)В.

Небольшая потребляемая мощность до 10Вт.

Интерфейсы и протоколы

Все контроллеры данной линейки имеют большое количество интерфейсов на борту, работающих независимо друг от друга:

·Ethernet;

·До трех последовательных портов;

·USB Device для программирования контроллера.

В целом, данный контроллер удовлетворяет разработанной АСУ ТП.

5 Функциональная схема технологического объекта

Результатом главы 2 является функциональная схема технологического объекта, отображающая вид датчиков, места расположения датчиков, а также места расположения исполнительных механизмов и пусковых устройств. Функциональная схема приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Функциональная схема системы

Обоснование мест установки датчиков:

·Датчик NS 2-1 предназначен для управления насосом 1;

·Датчик pH 4-1 предназначен для измерения показателя pH воды в резервуаре 1;

·Датчики LE 4-2 и 4-3 предназначены для индикации уровня воды в резервуаре 1;

·Датчик NS 5-1 предназначен для управления насосом 2;

·Датчик NS 6-1 предназначен для управления насосом 3;

·Датчик LE 7-1 предназначен для индикации уровня воды в резервуаре 2.

3. Разработка алгоритмов функционирования

1 Алгоритм функционирования СУ технологического объекта

Рисунок 8 - Общий алгоритм функционирования

3.2 Алгоритм запуска технологического объекта

Рисунок 9 - Алгоритм запуска ТП

3.3 Алгоритм функционирования системы

Рисунок 10 - Алгоритм функционирования системы

4 Алгоритм остановки системы

3.5 Алгоритм работы системы при аварии

Рисунок 12 - Алгоритм работы системы при аварии

Заключение

Результатом выполнения данного курсового проекта стала разработка АСУ ТП водоснабжения дома. Была разработана модель процесса, которая наглядно позволяет представить реальный технологический процесс. Также были разработаны функциональные схемы, подобраны измерительные устройства (датчики) и контроллер, который осуществляет управление технологическим процессом. Разработаны алгоритмы контроля и управления функционированием ТП.

Приложение А

Список используемых сокращений

АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом;

ИМ - исполнительный механизм;

ОС - операторская станция;

ТО - технологический объект;

ТОУ - технологический объект управления;

ТП - технологический процесс.

Приложение Б

Библиографический список

1. Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине «Технические средства автоматизации и управления». Составитель Куклин В.В. 2011г.
2. Лекции по предмету «Технические средства автоматизации и управления» Куклина В.В.