Краснодед Алина Игоревна

Факультет компьютерных информационных
технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникации

Специальность Системы управления и автоматика

Исследование режимов работы и усовершенствование САУ водонапорного узла Мушкетовский г.  Донецк

Научный руководитель: Доцент, к. т. н., профессор кафедры  АТ А.  В.  Хорхордин

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Водопроводные сети городов Украины очень часто складывались исторически, путем расширения, по мере присоединения новых жилых кварталов и промышленных зон к городской территории. Такая практика не всегда учитывала возможности системы обеспечивать оптимальные параметры по расходам и давления в магистральных и распределительных сетях. Довольно часто в водопроводных схемах не учитывались перепады отметок земли в границах распределительной сети, что создавало в некоторых районах водопроводной сети повышенное или недостаточное давление. Недостаточное давление приводит к росту жалоб потребителей, повышенное давление приводит к росту аварийных ситуаций, увеличению утечек и потерь воды.

Задачей водоснабжения является бесперебойное снабжение качественной водой потребителей при условии осуществления наибольшего удобства пользования водой, при наименьшей стоимости её наибольшей простоте и заданной надёжности эксплуатации системы водоснабжения.

Решить эти вопросы можно путём разработки новой и более эффективной САУ водоснабжения.

Актуальность темы

Повышение энергоэффективности управления водоснабжением является довольно актуальной. Расход воды постоянно растет. Это связано с ростом населения в городе и повышением экономической активности. Поэтому в своей работе было решено минимизировать эти затраты.

Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью данного курсового проекта является повышение энергоэффективности водонапорного узла и уменьшения времени его реакции на изменение нагрузки за счет внедрения новой системы автоматизированного управления.

Для достижения этой цели САУ объекта [6] должна выполнять следующие задачи [2]:

  1. Поддерживать давление в общем коллекторе и трубопроводах к потребителям при непостоянной нагрузке. Во всех трубах и насосах должно быть одинаковое давление. Это необходимо для того, чтобы вода не изменила свое направление движения, что может остановить работу всего узла.
  2. Поддерживать заданные параметры эксплуатации оборудования узла:
    • – выходное давление – 6,5 ± 5% [Атм];
    • – расход воды питающей узел удерживать в пределах [900-1700] м3/сут;
    • – уровни воды в баках  [3] – от 1 м до 9 м;
    • – давление и обороты насосов – 6,2-6,5  Атм;
    • – контроль температуры подшипников насосов (<  80 º C).

      • Дополнительные параметры:

    • – учет времени работы насосов;
    • – обеспечение равномерного износа;
  3. Минимизировать энергопотребление узла.
  4. Обеспечивать автоматизированное и ручное управление оборудованием. Необходимо установить элементы ручного и автоматического управления оборудованием узла с учетом современных требований к эргономике рабочего места оператора.
  5. Обеспечивать защитную функцию САУ (обеспечение безопасности работы узла):
    • – сигнал о превышении максимального уровня воды в баке-накопителе и опустошении ниже минимального уровня;
    • – сигнализация при выходе давления в общем коллекторе за допустимый диапазон;
    • – сигнализация при перегреве насоса;
    • – сигнал при резком увеличении потребления с резким падением давления, вероятен порыв трубы;
    • – захват воздуха насосом.

Все аварийные ситуации должны быть отображены на индикаторах щита управления и обязаны устраняться либо автоматически, либо с помощью оператора.

3. Обзор исследований и разработок
3.1 Анализ процесса водоснабжения как объекта автоматического управления

Система водоснабжения представляет собой комплекс сооружений для обеспечения определенной группы потребителей (данного объекта) водой в требуемых количествах и требуемого качества. Кроме того, система водоснабжения должна обладать определенной степенью надежности, то есть обеспечивать снабжение потребителей водой без недопустимого снижения установленных показателей своей работы в отношении количества или качества подаваемой воды (перерывы или снижение подачи воды или ухудшение ее качества в недопустимых пределах) [1].

Рассмотрим Мушкетовский водонапорный узел как объект управления. Водопровод – система непрерывного водоснабжения потребителей, предназначенная для проведения воды для питья и технических целей из одного места в другое - к водопользователю (городские и заводск. помещения) преимущественно по подземным трубам или каналам. Технологическая схема представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Технологическая схема водонапорного узла

Из одной общей трубы под давлением идет распределение воды в 6 вспомогательных сосудов баков-накопителей, объемом 5  тыс  м3 каждый. Уровень воды в баках накопителя ограничен lmax, lmin   м;

Перед и после каждого бака-накопителя находятся вентили подачи воды в емкости и вывода воды из бака-накопителя, которые регулируют напор подаваемой жидкости. Из бака-накопителя вода перекачивается центробежными насосами в водопроводную сеть к потребителям. Эти насосы создают давление в потребительской водонапорной сети. Вода от насосов проходит через общий коллектор высокого давления и направляется в 4 исходные трубы. Поток к потребителям регулируется вентилями подачи воды к потребителям.

Одновременно работают максимально 3 насоса. 4-й – горячий резерв (для ввода насоса в эксплуатацию достаточно нажать кнопку. Он изначально наполнен водой и готов к работе.

Вентиль запуска воды в насос открыт, а вентиль вывода воды из насоса закрыт). Давление в насосах контролируется с помощью датчиков давления и изменяется за счет частотных преобразователей.

Давление во всех трубах должно быть одинаковым, чтобы избежать перебоев, поэтому датчики давления расположены на общей трубе, общем коллекторе и на каждой трубе вывода воды к потребителям.

Вентили перераспределения предназначены для распределения воды между емкостями и насосами. При условии работы только 1-го, 3-го и 4-го центробежного насоса второй автоматически перекрывается вентилями. Тогда вода поступает в открытые насосы и непосредственно в общую распределительную трубу к потребителям. Таким образом, вода из любой желаемой емкости попадает к потребителю через работоспособный насос.

Вентилями управляет специальный исполнительный механизм. Данные с него поступают на блок управления. Данные с датчиков и расходомеров поступают на блок измерений.

3.2 Обзор существующих систем автоматического управления для автоматизации водонапорного узла. Направление усовершенствования базовой системы автоматического управления

В настоящее время существует множество аналогов донной системы. Одним из таких является система автоматизации WILO-MPS для насосов водоснабжения. На рисунке 2 представлена ее технологическая схема

Рисунок 2 – Технологическая схема WILO-MPS

Применение:

Система автоматизации WILO-MPS  [4] создана по технологии автоматизации насосов для систем водоснабжения и отопления с количеством насосов от 1 до 6 в диапазоне мощностей электродвигателей насосов от 1 до 630  кВт, напряжением в сети 380  В.

Рекомендуется использовать для автоматического подъёма и циркуляции воды:

  • – Станции первого подъема, Водозаборы и водозаборные узлы (ВЗУ)
  • – Станции второго, третьего, четвертого подъема
  • – Повысительные насосные станции (ПНС)
  • – Водонапорные насосные станции (ВНС)
  • – Сетевые насосы и насосные группы
  • – Насосные станции теплоснабжения и циркуляции

Таблица 1 Технические характеристики

Тип регулировки станции Поддержание давления, расхода, или их перепада
Количество насосов От 1 до 6 (более специальному заказу)
Токи от 3 А до 1120  А (более специальному заказу)
Мощность от 1 кВт до 630  кВт (свыше по специальному заказу)
Электроснабжение ГОСТ 13109-97 380 В ± 10%, 50  Гц  ±  0.2
Коэффициент искажения синусоидальности Kui не более 8.0
Диапазон флуктуации частоты +/- 5%
Степень искажений рабочего напряжения < /td > = 3
Требования по ЭМС согласно МЭК 60947-1 - степень жесткости < /td > 3
Температура окружающей среды 0.. +40  С
Степень защиты IP 54
Тип подключаемых аналоговых датчиков 4-20  мА (пассивный )
Тип подключаемых датчиков защиты насоса Термистор РТС, РТ 100, биметалл, 1 аналоговый датчик вибрации (4..20 мА), 1 дискретный датчик дополнительной защиты
Тип подключаемых дискретных сигналов "Сухой контакт"
Тип выходных дискретных сигналов шкафа управления "Сухой контакт" max 220  В, 5  А
Максимальное расстояние до датчиков, подключаемых 200  м
Пересечение подключаются проводов к датчикам не менее 0,75  кв. мм
Макс. длина кабеля от шкафа управления до конечного шкафы силовой коммутации 200  м
Макс. длина кабеля до двигателя без выходного дросселя 50 м экранированный, 100  м неэкранированный
Макс. длина кабеля до двигателя с выходным дросселем 150 м экранированный, 250  м неэкранированный
Поддерживаемые протоколы обмена данными Industrial Еthernet, Modbus, Lonworks, Industrial Ethernet ч/с ADSL, Modbus ч/с GPRS, Profibus
Монтаж силовых и сигнальных кабелей осуществить в разных лотках или в одном лотке с металлической перегородкой

4. Моделирование узла

Контроль уровня воды в баках.

Расчет коэффициента регулирующего органа:

Уравнение уровня воды в баках-накопителях:

Где S_сеч – площадь поперечного сечения бака-накопителя.

Расчет передаточной функции исполнительного механизма:

Рисунок 3 – Имитационная модель уровня воды в баке-накопителе

При разработке регулятора можно использовать методику выбора параметров на основе преобразования Мебиуса  [5].

Результаты моделирования представлены на рисунке 4:

Рисунок 4 – Уровень воды в баке-накопителе

На рисунке 4 видно, что в системе присутствует ошибка регулирования, однако она входит в допустимый предел погрешности.

Контроль давления в трубопроводе.

Составление математической модели насоса:

Согласно выбранной модели насоса  [7], представим его характеристики:

Нас интересует зависимость расхода Q, [м3/ч] от мощности  N,  [кВт]. Представим эту зависимость в виде массива чисел:

N = [270,300,310,380,400,450,510],  кВт

Q = [0,200,450,800,1000,1400,2000],  м3/ч

Таблица 2 – Параметры асинхронного двигателя АИР802А [8]

Номинальная мощность Pn = 3*746  (ВА),
действующее линейное напряжение Un = 220  (В)
номинальнаячастота fn = 60  (Гц)
сопротивление статора Rs = 0.435  (Ом)
индуктивность статора Ls = 2.0е-3  (Гн)
сопротивление ротора Rs = 0.86  (Ом)
индуктивность ротора Ls = 2.0е-3  (Гн)
взаимная индуктивность 69.31-3  (Гн)
момент инерции J = 0.089  (кг*м^2)
коэффициент трения F = 0  (Н*м*с)
число пар полюсов p = 2

На рисунках 5 и 6 представлены модели в Simulink

Рисунок 5 – Имитационная модель поддержания давления в общем коллекторе

Рисунок 6 – Имитационная модель асинхронного двигателя АИР80

Результат моделирования представлены на рисунке 7:

Рисунок 7 – Переходный процесс давления

Учитывая заданное в условиях значение давления р=560 кПа, можно сделать вывод, что система смоделирована верно.

Выводы

Была спроектирована САУ процесса водоснабжения  [9]. САУ эффективно решает поставленные перед ней задачи. Анализ САУ показал, что разработанная система эффективнее и дешевле в создании, чем использование уже готовых вариантов от лидирующих компаний.

Следующие математические модели были собраны и промоделированы в среде Matlab Simulink  [10]:

  • – модель контроля уровня воды в баках-накопителях;
  • – модель поддержания постоянного давления в общем коллекторе при непостоянной нагрузке.

Были получены и проанализированы переходные процессы данных моделей.

По результатам текущего проекта можно более детально изучить сильные и слабые стороны полученной САУ для дальнейшего усовершенствования системы, устранения недочётов и улучшения эффективности системы.

Список использованной литературы

  1. Наказ Міністерства житлово-комунального господарства від 06.09.10 р. № 316 Щодо розроблення схем оптимізації роботи централізованих систем водопостачання населених пунктів України.
  2. Наказ Міністерства ЖКГ від 23.12.10р № 476 Про затвердження Методичних рекомендацій з розроблення схем оптимізації роботи систем централізованого водопостачання та водовідведення.
  3. И. В.  Кожинов Устранение потерь воды при эксплуатации систем водоснабжения/ И. В.  Кожинов, Р. Г.  Добровольский/ 2-е изд., перераб. и доп.-М: Стойиздат, 1988  г. – 348  с.
  4. Сайт компании WILO-MPS: http://www.wilo-mps.ru/.
  5. Науковi працi Донецького Нацiонального технiчного унiверситету. О выборе параметров преобразования Мебиуса при конструировании стабилизирующих регуляторов, А.  В.  Хорхордин, С.  С.  Батыр, А.  А.  Безрук.
  6. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения, А.  А.  Рульнов, К.  Ю.  Евстафьев, издательство: Инфра-М, 2010  г. – 208  с.
  7. Электронный каталог насосов: http://www.uptc.ru/category/view/id/1.html.
  8. Автоматизация контроля параметров и диагностика асинхронных двигателей, О.  Д.  Гольдберг, И.  М.  Абдуллаев, А.  Н.  Абиев, издательство: Энергоатомиздат, 1991  г. – 160  с.
  9. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения, Г. С.  Попкович, М. А.  Гордеев, издательство: Высшая школа, 1986  г. – 392  с.
  10. Моделирование процессов и систем в MATLAB, Ю.  Лазарев, издательская группа BHV, 2005. – 512  с.