Рисунок 1 – Технологическая схема узла
Автор: А. И. Краснодед, к. т. н. А. В. Хорхордин, С. С. Батыр
Источник: Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІII науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 2014 р. - Донецьк, ДонНТУ, 2014.
А. И. Краснодед Исследование режимов работы и усовершенствование САУ водонапорного узла "Мушкетовский" г. Донецк. Был произведен анализ САУ процесса водоснабжения. Рассмотрены типовые ситуации. В функции предложенной системы автоматического управления входит поддержание давления в общем коллекторе и трубопроводах к потребителям при непостоянной нагрузке, поддержание заданных параметров эксплуатации оборудования узла.
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).
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.
Рисунок 1 – Технологическая схема узла
Из одной общей трубы под давлением идет распределение воды в 6 вспомогательных сосудов баков-накопителей, объемом 5 тыс м кубических 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.
Для достижения энергоэффективности водонапорного узла и уменьшения времени его реакции на изменение нагрузки САУ объекта должна выполнять следующие задачи:
Для достижения поставленной цели необходимо спроектировать систему автоматизации, которая будет получать всю необходимую информацию о параметрах системы, которые характеризуют и влияют на ее работу.
Основная задача САУ – поддержка давления при непостоянном водопотреблении.
Измерение текущего значения давления производится при помощи датчиков давления. Обработка данных и выдача сигналов управления на насосы и задвижки будет производиться при помощи программируемого логического контроллера (ПЛК).
Аналогично будут контролироваться уровни воды в баках, температура насосов, расход воды. Для этого будут установлены следующие измерительные датчики:
Для устранения аварийной ситуации при превышении максимального уровня воды в баке-накопителе/опустошении минимального уровня, необходимо перекрыть/открыть соответствующие вентили. При выходе давления в общем коллекторе за допустимый предел требуется включить/отключить насос и отрегулировать угол поворота вентилей. При перегреве насоса его необходимо остановить и ввести в работу резервный.
При аварийной ситуации с захватом воздуха насосом требуется остановить насос, открыть воду для заполнения, спустить воздух и включить насос на малый разгон. Далее разогнать до обычной скорости (или помпаж).
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 2 — Имитационная модель уровня воды в баке-накопителе
При разработке регулятора можно использовать методику выбора параметров на основе преобразования Мебиуса [5] .
Результаты моделирования:
Рисунок 3 — Уровень воды в баке-накопителе
По графику 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, 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
Рисунок 4 – Имитационная модель поддержания давления в общем коллекторе
Рисунок 5 – Имитационная модель асинхронного двигателя АИР80
Результат моделирования:
Рисунок 6 – Переходный процесс давления
Учитывая заданное в условиях значение давления р=560 кПа, можно сделать вывод, что система смоделирована верно.
Была спроектирована САУ процесса водоснабжения. 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:
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.
Про затвердження Методичних рекомендацій з розроблення схем оптимізації роботи систем централізованого водопостачання та водовідведення.
2-ТП Водхоз2011 г.