ДонНТУ   Портал магістрів

Малахівська Валерія Сергіївна

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра автоматики і телекомунікацій

Спеціальність Управління в технічних системах

Дослідження САУ районним комплексом водопостачання

Науковий керівник: к.т.н., доцент Федюн Роман Валерійович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Огляд досліджень та розробок
• 3.1 Обгрунтування прийнятого напрямку розробки САУ водопровідних вузлом
• 3.2 Модель САУ рівнем в резервуарах чистої води
• 3.3 Синтез САУ тиском насосної установки
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Будучи постачальником води для майже 50% населення Землі, водопровідні господарства відіграють життєво важливу роль в процесі управління водними ресурсами, які останнім часом все частіше стають предметом гострого дефіциту. Зараз, коли процес глобальної урбанізації триває, перед водопровідних господарством стоїть комплексне завдання водопостачання міста економічно ефективним способом з метою забезпечення їх нормальної життєдіяльності.

В останнє десятиліття все більше стає помітним знос існуючої системи водопостачання, що супроводжується підвищенням частоти проривів як великих магістральних, так і малих підвідних трубопроводів. Відсутність засобів контролю за споживанням води та засобів оперативного впливу на продуктивність насосних станцій призводить до незадовільної подачі води кінцевим споживачам і прискорює аварійні ситуації в системі.

1. Актуальність теми

Відмінною рисою системи водопостачання є практично довільного збільшення навантаження на мережу - величини водоспоживання. Для кожної окремої системи відомий приблизний графік споживання протягом доби, проте він дозволяє дотримуватися лише деякого середнього значення подачі води, який, як правило, не відповідає реальному водоспоживання. В такому випадку відбуваються коливання тиску в магістралях системи. Підвищення тиску призводить до поривів трубопроводів і зниження терміну служби запірної арматури, а також зменшення кількості води, що подається висотним споживачам і погіршення якості водопостачання в цілому.

Таким чином, проблема поліпшення якості водопостачання актуальна. У той же час, зі збільшенням цін на енергоносії стає актуальною проблема зменшення витрат на електроенергію, яка споживається вузлами комплексу водопостачання.

Вирішити дані проблеми, можливо виконавши автоматизацію всього комплексу водопостачання з метою забезпечення необхідної подачі води при необхідному тиску і відсутності його коливань з використанням енергозберігаючих підходів до побудови системи автоматичного управління.

Важливими чинниками, які сприяють економічності і надійності роботи системи подачі води є автоматизація виробничих процесів. Автоматичне управління водопровідних вузлом дозволяє поліпшити і упорядкувати експлуатацію як окремих його елементів, так і всієї системи в цілому, значно скоротити чисельність обслуговуючого персоналу, суттєво знизити експлуатаційні витрати і збільшити якість послуг, що надаються. Так, наприклад, порівняння витрат води в різних вузлах системи водопостачання дозволяє виявити місця витоку, високого опору всередині труб і формує вимоги до водоподачі в реальному масштабі часу. Контроль тиску води дозволяє виключити зайву водоподачу. Вимірювання вхідної потужності електродвигуна і вимірювання частоти обертання насоса дозволяє визначити, чи працює електродвигун з оптимальним ККД, і в разі необхідності він коригується [1].

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Мета розробки - підвищення ефективності функціонування водопровідного вузла за рахунок розробки системи автоматичного управління, що дозволить продовжити термін служби технологічного обладнання, підвищити економічність, надійність і безпеку, а також зменшити експлуатаційні витрати на процес водопостачання.

Методи і засоби розробки: методи системного аналізу і декомпозиції, теорії автоматичного управління, комп'ютерного моделювання, аналізу результатів експерименту.

Згідно з наявною технологічної схеми районного комплексу водопостачання і значень необхідних технологічних параметрів формулюються наступні вимоги до окремих вузлів і комплексу в цілому:

1. Забезпечення підтримки рівня в резервуарах чистої води в межах від 2 м до 4,5 м для виключення кавітаційних режимів роботи насосів водопровідного вузла і уникнення переливів води при переповненні резервуарів.
2. Забезпечення тисків на гребінках «верхньої зони» і «нижньої зони» в 7 і 4 атм відповідно при будь-якій кількості споживанні води.
3. Забезпечення тисків підвищують станціями в 7 атм для «верхньої зони» і 4 для «нижньої зони» при будь-якій кількості споживанні води.
4. Забезпечення відсутності гідроударів в системі водопостачання.
5. Відсутність вакууму у всмоктуючих трубопроводах підвищують станцій [2].

3. Огляд досліджень та розробок

Водопровідний вузол має в своєму складі хлораторну, два резервуари чистої води об'ємом 10 тис. М3, насосну станцію II підйому з двома зонами тисків - 4 атм і 7 ??атм і числом вихідних відвідав 3 і 5 відповідно для кожної із зон. Один з водоводів нижньої зони має підвищує станцію на відстані 20 км від водопровідного вузла, два водоводу верхньої зони мають по одній підвищує станції на відстані 1,5 км і 4 км від водопровідного вузла. Підкачка води після насосної станції II підйому здійснюються без використання проміжних резервуарів. Вода на водопровідний вузол надходить по двом водоводах з діаметрами 1000 мм і 700 мм.

Проведений аналіз даного об'єкта управління дозволив сформулювати вимоги до окремих вузлів і комплексу водопостачання в цілому, основні з яких наступні: забезпечення підтримки рівня в резервуарах чистої води в межах від 2 м до 4,5 м; забезпечення тисків на виході насосів «верхньої зони» і «нижньої зони» в 7 і 4 атм відповідно при будь-якій кількості споживанні води [3].

Система водопостачання складається з водопровідного вузла і трьох станцій підкачки.

3.1 Обгрунтування прийнятого напрямку розробки САУ водопровідних вузлом

Для насосних установок відцентрового типу застосовують такі способи регулювання тиску (напору) і подачі (продуктивності) рідини: дросселирование напірного трубопроводу; перепуск частини потоку рідини з вихідного патрубка насоса у вхідній; відключення або підключення насосів (ступеневу регулювання); зміна частоти обертання робочого колеса насос [4].

Регулювання напору перепуском засновано на відведення частини потоку рідини з виходу насоса на його вхід через відведення із засувкою. При цьому енергія, що витрачається на циркуляцію рідини по холостому колу, не створює корисної роботи, знижує ККД установки, особливо сильно при глибокому регулюванні. Як і в попередньому методі, подача насосної станції регулюється тільки в сторону зменшення.

Ступінчасте регулювання подачі насосної станції здійснюється за рахунок підключення або відключення насоса або групи насосів. Даний спосіб характеризується простотою управління, так як не вимагає додаткових регулюючих пристроїв. Однак він не дозволяє забезпечити безперервну та якісну підтримку напору при зміні споживання рідини і викликає часті пуски двигунів, зменшує термін роботи обладнання і вимагає будівництва проміжного резервуара, для згладжування коливань подачі насосної станції. Крім того, електроприводи працюють не в оптимальному режимі, що також знижує ККД всієї станції [5].

Зміна частоти обертання робочого колеса насосної установки дозволяє здійснити безперервне регулювання продуктивності насосної станції з меншими витратами енергії, ніж в попередніх варіантах, можна досягти плавного наростання продуктивності до номінального значення. Однак воно вимагає щодо великих витрат на регулююче устаткування [6].

Датчики витрати води встановлюються на які подають і нагнітальних водоводах, а також на виході кожного насоса; датчик рівня - в резервуарах чистої води; датчики тиску - на вході і виході кожного насоса насосної станції другого підйому.

Виконавчими механізмами виступають електроприводи засувок (регулювання рівня в резервуарах чистої води і тиску в нагнітальних водоводах), а також електропривод насоса (регулювання тиску насосної установки).

Управління електроприводом засувок можна реалізувати за допомогою частотних перетворювачів, тобто здійснювати частотне регулювання. Управління засувкою буде зводитися до подачі електричного двигуна на певний час уставки напруги певної частоти, що розраховується мікро контролером і залежить від витрат на вхідному водоводі, вихідних водоводах, наповненості РЧВ [7].

Викладене вище дозволяє розробити схеми автоматичного управління елементами водопровідного вузла, які наведені на рис. 2 і рис. 3.

3.2 Модель САУ рівнем в резервуарах чистої води

Для визначення необхідних алгоритмів розроблені математичні моделі для різних контурів управління. Отримано структурна схема САУ рівнем в резервуарах чистої води водопровідного вузла «6 Червона Зірка», яка приведена на рис.4.

Об'єктом управління в даній САУ є резервуар чистої води WРВЧ (р) сo наступними змінними:

• вихідна керована змінна - рівень h (t);
  
• керуючий вплив - витрата води, що подається Qпод (t);
  
• рівноваги вплив - витрата води, що споживається Qпотр (t) [8].

Рівень води в резервуарах є контрольованим, керованим і визначається за формулою:

Де V - об'єм рідини в резервуарі; S - площа дна резервуара; Qпод - подача води в резервуар; Qпотр - споживання води з резервуара.

Поєднавши підсистеми згідно структурної схеми (рис.4), отримаємо модель САУ рівнем в термінах пакета simulink (рис.5).

3.3 Синтез САУ тиском насосної установки

Насосна установка являє собою об'єкт з самовирівнюванням без запізнення. Згідно положень теорії автоматичного управління для даних об'єктів можливе застосування всіх типових законів регулювання. Вибір і настройка типових регуляторів здійснюється з використанням розробленої моделі замкнутої САУ тиском насосної установки з типовим регулятором, схема якої приведена на рис.5 [9].

Найбільшого поширення при управлінні різними об'єктами отримали типові закони регулювання, які реалізуються відповідними регуляторами: П-регулятор, ПІ-регулятор, ПІД-регулятор.

Аналіз кривої перехідного процесу (рис.6) показує неприпустимі перерегулирование, коливальність і сталу помилку по каналах завдання і обурення, тому необхідно застосовувати більш складні алгоритми управління [10].

Крива перехідного процесу в САУ тиском насосної установки з розрахованим ПІ-регулятором приведена на рис.8.

Аналіз наведених кривих перехідних процесів по каналах завдання і обурення (рис.9.) Показує їх повну відповідність нормативним вимогам: стале значення сигналу помилки по каналах завдання і обурення дорівнює нулю, початкове відхилення керованої величини від заданого значення по каналу обурює впливу не більше від необхідного.

Таким чином, з розглянутих типових законів регулювання повністю задовольняє вимогам нормативних документів і технологічним регламентом САУ тиском насосної установки з ПІД-регулятором.

Висновки

У магістерській дисертації розроблена система автоматичного управління водопровідних вузлом «6 Червона зірка».

Проведений аналіз елементів комплексу водопостачання району та їх взаємодії дозволив встановити особливості водопровідного вузла як об'єкта управління.

В дипломній роботі бакалавра розроблені схеми автоматичного управління технологічними елементами водопровідного вузла - резервуарами чистої води і насосними установками, на основі яких обрані елементи системи автоматичного управління.

В роботі виконано теоретичний синтез необхідних регуляторів САУ рівнем в резервуарах чистої води і САУ тиском насосної установки. Показано, що необхідну якість управління в САУ рівнем досягається при використанні комбінованої системи автоматичного управління: з ПД-регулятором - в контурі зворотного зв'язку і з П-регулятором - в контурі компенсації впливу, що обурює.

Проведений порівняльний аналіз показників якості в САУ тиском насосної установки при використанні різних типових законів регулювання показав, що найкращим регулятором в даному випадку є ПІД-регулятор з знайденими настройками.

Виконане в роботі моделювання підтвердило ефективність запропонованих алгоритмів управління і прийнятих технічних рішень.

Перелік посилань

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.