ДонНТУ   Портал магистров

Малахивская Валерия Сергеевна

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникаций

Специальность «Управление в технических системах»

Исследовние САУ районным комплексом водоснабжения

Научный руководитель: к.т.н., доцент Федюн Роман Валерьевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор исследований и разработок
• 3.1 Обоснование принятого направления разработки САУ водопроводным узлом
• 3.2 Модель САУ уровнем в резервуарах чистой воды
• 3.3 Синтез САУ давлением насосной установки
• Выводы
• Список источников

Введение

Являясь поставщиком воды для почти 50% населения Земли, водопроводные хозяйства играют жизненно важную роль в процессе управления водными ресурсами, которые в последнее время все чаще становятся предметом острого дефицита. Сейчас, когда процесс глобальной урбанизации продолжается, перед водопроводным хозяйством стоит комплексная задача водоснабжения города экономически эффективным способом с целью обеспечения их нормальной жизнедеятельности.

В последнее десятилетие все больше становится заметным износ существующей системы водоснабжения, что сопровождается повышением частоты прорывов как крупных магистральных, так и малых подводящих трубопроводов. Отсутствие средств контроля за потреблением воды и средств оперативного влияния на производительность насосных станций приводит к неудовлетворительной подачи воды конечным потребителям и учащает аварийные ситуации в системе.

1. Актуальность темы

Отличительной чертой системы водоснабжения является практически случайное изменение нагрузки на сеть - величины водопотребления. Для каждой отдельной системы известен примерный график потребления в течение суток, однако он позволяет придерживаться лишь некоторого среднего значения подачи воды, который, как правило, не соответствует реальному водопотреблению. В таком случае происходят колебания давления в магистралях системы. Повышение давления приводит к порывам трубопроводов и снижению срока службы запорной арматуры, а также уменьшению количества подаваемой воды высотным потребителям и ухудшению качества водоснабжения в целом.

Таким образом, проблема улучшения качества водоснабжения актуальна. В то же время, с увеличением цен на энергоносители становится актуальной проблема уменьшения затрат на электроэнергию, потребляемую узлами комплекса водоснабжения.

Решить данные проблемы, возможно выполнив автоматизацию всего комплекса водоснабжения с целью обеспечения требуемой подачи воды при необходимом давлении и отсутствии его колебаний с использованием энергосберегающих подходов к построению системы автоматического управления.

Важными факторами, способствующими экономичности и надежности работы системы подачи воды являются автоматизация производственных процессов. Автоматическое управление водопроводным узлом позволяет улучшить и упорядочить эксплуатацию как отдельных его элементов, так и всей системы в целом, значительно сократить численность обслуживающего персонала, существенно снизить эксплуатационные расходы и увеличить качество предоставляемых услуг. Так, например, сравнение расходов воды в разных узлах системы водоснабжения позволяет выявить места утечек, высокого сопротивления внутри труб и формирует требования к водоподаче в реальном масштабе времени. Контроль давления воды позволяет исключить лишнюю водоподачу. Измерение входной мощности электродвигателя и измерение частоты вращения насоса позволяет определить, работает ли электродвигатель с оптимальным КПД, и в случае необходимости он корректируется [1].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель разработки - повышение эффективности функционирования водопроводного узла за счет разработки системы автоматического управления, что позволит продлить срок службы технологического оборудования, повысить экономичность, надежность и безопасность, а также уменьшить эксплуатационные расходы на процесс водоснабжения.

Методы и средства разработки: методы системного анализа и декомпозиции, теории автоматического управления, компьютерного моделирования, анализа результатов эксперимента.

Согласно имеющейся технологической схемы районного комплекса водоснабжения и значений необходимых технологических параметров формулируются следующие требования к отдельным узлам и комплексу в целом:

1. Обеспечение поддержания уровня в резервуарах чистой воды в пределах от 2 м до 4,5 м для исключения кавитационных режимов работы насосов водопроводного узла и избегания переливов воды при переполнении резервуаров.
2. Обеспечение давлений на гребенках «верхней зоны» и «нижней зоны» в 7 и 4 атм соответственно при любом количестве потреблении воды.
3. Обеспечение давлений повышающими станциями в 7 атм для «верхней зоны» и 4 для «нижней зоны» при любом количестве потреблении воды.
4. Обеспечение отсутствия гидроударов в системе водоснабжения.
5. Отсутствие вакуума во всасывающих трубопроводах повышающих станций [2].

3. Обзор исследований и разработок

Водопроводный узел имеет в своем составе хлораторную, два резервуара чистой воды объемом 10 тыс. м3, насосную станцию II подъема с двумя зонами давлений - 4 атм и 7 атм и числом выходных водоводов 3 и 5 соответственно для каждой из зон. Один из водоводов нижней зоны имеет повышающую станцию на расстоянии 20 км от водопроводного узла, два водовода верхней зоны имеют по одной повышающей станции на расстоянии 1,5 км и 4 км от водопроводного узла. Подкачка воды после насосной станции II подъема осуществляются без использования промежуточных резервуаров.

Проведенный анализ данного объекта управления позволил сформулировать требования к отдельным узлам и комплексу водоснабжения в целом, основные из которых следующие: обеспечение поддержания уровня в резервуарах чистой воды в пределах от 2 м до 4,5 м; обеспечение давлений на выходе насосов «верхней зоны» и «нижней зоны» в 7 и 4 атм соответственно при любом количестве потреблении воды [3].

Система водоснабжения района города Донецка состоит из водопроводного узла и трех станций подкачки.

3.1 Обоснование принятого направления разработки САУ водопроводным узлом

Для насосных установок центробежного типа применяют следующие способы регулирования давления (напора) и подачи (производительности) жидкости: дросселирование напорного трубопровода; перепуск части потока жидкости с выходного патрубка насоса во входной; отключение или подключение насосов (ступенчатое регулирование); изменение частоты вращения рабочего колеса насоса [4].

Регулирование напора перепуском основано на отведении части потока жидкости с выхода насоса на его вход через отвод с задвижкой. При этом энергия, затрачиваемая на циркуляцию жидкости по холостом кругу, не создает полезной работы, снижает КПД установки, особенно сильно при глубоком регулировании. Как и в предыдущем методе, подача насосной станции регулируется только в сторону уменьшения.

Ступенчатое регулирование подачи насосной станции осуществляется за счет подключения или отключения насоса или группы насосов. Данный способ характеризуется простотой управления, так как не требует дополнительных регулирующих устройств. Однако он не позволяет обеспечить непрерывную и качественную поддержку напора при изменении потребления жидкости и вызывает частые пуски двигателей, уменьшает срок работы оборудования и требует строительства промежуточного резервуара, для сглаживания колебаний подачи насосной станции. Кроме того, электроприводы работают не в оптимальном режиме, что также снижает КПД всей станции [5].

Изменение частоты вращения рабочего колеса насосной установки позволяет осуществить непрерывное регулирование производительности насосной станции с меньшими затратами энергии, чем в предыдущих вариантах, можно достичь плавного нарастания производительности до номинального значения. Однако оно требует относительно больших затрат на регулирующее оборудование [6].

Датчики расхода воды устанавливаются на подающих и нагнетательных водоводах, а также на выходе каждого насоса; датчик уровня – в резервуарах чистой воды; датчики давления – на входе и выходе каждого насоса насосной станции второго подъема.

Исполнительными механизмами выступают электроприводы задвижек (регулирование уровня в резервуарах чистой воды и давления в нагнетательных водоводах), а также электропривод насоса (регулирование давления насосной установки).

Управление электроприводом задвижек можно реализовать с помощью частотных преобразователей, т.е. осуществлять частотное регулирование. Управление задвижкой будет сводиться к подаче электродвигателю на определенное время уставки напряжения определенной частоты, рассчитываемой микроконтроллером и зависящей от расхода на входном водоводе, выходных водоводах, наполненности РЧВ [7].

Изложенное выше позволяет разработать схемы автоматического управления элементами водопроводного узла, которые приведены на рис. 2 и рис. 3.

3.2 Модель САУ уровнем в резервуарах чистой воды

Для определения необходимых алгоритмов разработаны математические модели для различных контуров управления. Получена структурная схема САУ уровнем в резервуарах чистой воды водопроводного узла, которая приведена на рис.4.

Объектом управления в данной САУ является резервуар чистой воды WРВЧ(р) сo следующими переменными:

• выходная управляемая переменная – уровень h(t);
• управляющее воздействие – расход подаваемой воды Qпод(t);
• возмущающее воздействие – расход потребляемой воды Qпотр(t) [8].

Уровень воды в резервуарах является контролируемым, управляемым и определяется по формуле:

Где V - объем жидкости в резервуаре; S - площадь дна резервуара; Qпод - подача воды в резервуар; Qпотр - потребление воды из резервуара.

Соединив подсистемы согласно структурной схемы (рис.4), получим модель САУ уровнем в терминах пакета simulink (рис.5).

3.3 Синтез САУ давлением насосной установки

Насосная установка представляет собой объект с самовыравниванием без запаздывания. Согласно положений теории автоматического управления для данных объектов возможно применение всех типовых законов регулирования. Выбор и настройка типовых регуляторов осуществляется с использованием разработанной модели замкнутой САУ давлением насосной установки с типовым регулятором, схема которой приведена на рис.5 [9].

Наибольшее распространение при управлении различными объектами получили типовые законы регулирования, которые реализуются соответствующими регуляторами: П-регулятор, ПИ-регулятор, ПИД-регулятор.

Анализ кривой переходного процесса (рис.6) показывает недопустимые перерегулирование, колебательность и установившуюся ошибку по каналам задания и возмущения, поэтому необходимо применять более сложные алгоритмы управления [10].

Кривая переходного процесса в САУ давлением насосной установки с рассчитанным ПИ-регулятором приведена на рис.8.

Анализ приведенных кривых переходных процессов по каналам задания и возмущения (рис.9.) показывает их полное соответствие нормативным требованиям: установившееся значение сигнала ошибки по каналам задания и возмущения равно нулю, начальное отклонение управляемой величины от заданного значения по каналу возмущающего воздействия не больше требуемого.

Таким образом, из рассмотренных типовых законов регулирования полностью удовлетворяет требованиям нормативных документов и технологическому регламенту САУ давлением насосной установки с ПИД-регулятором.

Выводы

В магистерской диссертации разработана система автоматического управления водопроводным узлом «6 Красная звезда».

Проведенный анализ элементов комплекса водоснабжения района и их взаимодействия позволил установить особенности водопроводного узла как объекта управления.

В дипломной работе бакалавра разработаны схемы автоматического управления технологическими элементами водопроводного узла – резервуарами чистой воды и насосными установками, на основе которых выбраны элементы системы автоматического управления.

В работе выполнен теоретический синтез необходимых регуляторов САУ уровнем в резервуарах чистой воды и САУ давлением насосной установки. Показано, что требуемое качество управление в САУ уровнем достигается при использовании комбинированной системы автоматического управления: с ПД-регулятором – в контуре обратной связи и с П-регулятором – в контуре компенсации возмущающего воздействия.

Проведенный сравнительный анализ показателей качества в САУ давлением насосной установки при использовании различных типовых законов регулирования показал, что наилучшим регулятором в данном случае является ПИД-регулятор с найденными настройками.

Выполненное в работе моделирование подтвердило эффективность предложенных алгоритмов управления и принятых технических решений.

Список источников

1. Сомов М.А. Водопроводные системы и сооружения. Учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1988 - 399 с.
2. Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. Том 3. Системы распределения и подачи воды. М.: Издательство АСВ, 2004 - 256 с.
3. Турк В.И., Минаев А.В., Карелин В.Я. Насосы и насосные станции. М.:Стройиздат, 1976.-304 с.
4. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учебное пособие для вузов. – М: Энергоатомиздат, 1984. — 316 с.
5. Густав Олсон, Джангуидо Пиани Цифровые системы автоматизации и управления. Санкт-Петербург, 2001. – 557 с.
6. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. М.: Недра, 1987.- 270 с.
7. Попов В.М. Рудничные водоотливные установки. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1983. – 304 с.
8. Попов В. М. Шахтные насосы (теория, расчет и эксплуатация). – М.: Недра, 1993. – 224 с.
9. Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования. Киев: Вища школа, 1988 - 431 с.
10. Лукас В. А. Теория управления техническими системами. Компактный учебный курс для вузов – 3-е изд. перераб. и доп. – Екатеринбург, УГГГА, 2002. – 675 с.