Карлов Владислав Андрійович

Вступ

Актуальність теми. В останні роки спостерігається суттєвий прогрес у створенні і застосуванні нових більш економічних і екологічно чистих технологій для очищення виробничих і стічних вод що, знижує навантаження на забруднення водойм і річок в результаті все збільшується виробничої і побутової діяльності людини.

До сучасним вимогам до експлуатації очисних споруд відносяться:

1. Зниження експлуатаційних витрат на очищення виробничих стічних вод.
2. Можливість непостійного присутності обслуговуючого персоналу.

Автоматизація покликана здійснити виконання цих вимог. Необхідність автоматизації очисних споруд описана вченими в 60–70–х роках XX століття, в якості обовʼязкової норми була представлена в СНиП II–32–74 Каналізація. Зовнішні мережі та споруди. При впровадженні автоматизації різко скорочується кількість людей, залучених в технологічний процес, підвищується продуктивність праці і знижується ймовірність виникнення аварійних ситуацій тощо.

Технічні переваги автоматизації флотаційного очищення промислових стічних вод полягають у наступному:

• можливості автоматичного оперативного збору технологічної інформації, оперативного диспетчерського контролю та управління виконавчими пристроями;
• автоматичне документування та архівування процесу з можливістю подальшого аналізу будь—якої його стадії, в тому числі і оцінки дій персоналу, та подання інформації в зручному для оператора вигляді;
• можливість створення контурів управління обʼєктами з мінливими в часі характеристиками, а також систем адаптивного управління та реалізації алгоритмів нечіткої логіки.

Метою роботи є підвищення якості готується розчину за рахунок розробки системи автоматичного управління приготування флокулянта, що дозволить знизити витрати на експлуатацію та обслуговування очисних споруд.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання дослідження:

1. дослідити особливості технологічного процесу очищення стічних вод методом напірної флотації при додаванні флокулянта і коагулянту з точки зору якості функціонування і можливості інтеграції в єдину систему управління підприємством.
2. розробити математичну модель процесу флотаційного очищення промислових стічних вод і провести дослідження динамічних властивостей обʼєкта по каналах управління і збурень.
3. Розробити САУ флотаційного очищенням промислових стічних вод інваріантної до дії зовнішніх збурень в заданих діапазонах, яка дозволить підтримувати необхідну концентрацію і кількість флокулянта.
4. Розробити функціональну схему автоматизації та підібрати необхідні засоби управління і вимірювання з необхідним класом точності, а також забезпечити звʼязок з системою управління всім комплексом управління очисними спорудами.
5. Реалізувати програмне забезпечення та алгоритми управління на базі обраного технічного забезпечення САУ і запропонованих методів управління.
6. Провести організаційно—економічне обгрунтування створення САУ флотаційного очищенням промислових стічних вод.
7. Сформулювати вимоги до охорони і безпеки праці при монтажі та експлуатації САУ флотаційного очищенням промислових стічних вод.

Обʼєкт дослідження — система автоматичного управління флотаційного очищенням промислових стічних вод.

Предмет дослідження — методи аналізу і системи автоматичного управління флотаційного очищенням промислових стічних вод.

Методи дослідження. При побудові моделі, алгоритмів управління та синтезі структури системи автоматичного управління використовувалися: методи системного аналізу і декомпозиції, методи сучасної теорії управління, методи і алгоритми ідентифікації обʼєкта управління, методи побудови розподілених систем управління на основі сучасних мережевих технологій, компʼютерного моделювання, аналізу результатів експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. запропонована структура багатозвʼязного управління концентрацією флокулянта в технологічному очищення промислових стічних вод, що дозволило підвищити показники якості управління процесом на 20-30% в порівнянні з системою, побудованої за принципом відхилення.
2. Запропоновано програмне забезпечення SCADA системи для реалізації людино-машинного інтерфейсу, що дозволить оперативно представляти поточну інформацію і приймати на підставі її рішення з управління.

Апробація результатів дисертації на наступних конференціях: ХIХ Міжнародна науково — технічна конференція аспірантів і студентів Автоматизація технологічних обʼєктів і процесів. Пошук молодих , г. Донецк, 2019 г.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 1 друкована праця, в тому числі 1 у тезах доповідей на науково—технічних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Робота складається з вступу, шести розділів і висновку, викладених на 69 сторінках машинописного тексту, з них 62 сторінки основного тексту, ілюстрованого 34 рисунками. Робота містить 2 таблиці, список використаної літератури з 20 найменувань та 2 додатки.

1. АНАЛІЗ ПРОЦЕСУ ФЛОТАЦІЙНОГО ОЧИЩЕННЯ ПРОМИСЛОВИХ СТІЧНИХ ВОД

1.1 Основні конструктивні і технологічні характеристики процесу флотаційного очищення промислових стічних вод

Вихідна вода використовується на потреби основного виробництва, для транспортування технічної сировини, на допоміжні технологічні процеси, а також на господарсько-питні та побутові потреби. Процес очищення стічних вод складається з наступних технологічних вузлів:

1. Усереднення.

   Виробничі стічні води в кількості 600м 3 на добу самопливом надходять в ємність—усреднітель системи очисних споруд, звідки насосами перекачуються в будівлю механічної та фізико-хімічної очистки виробничих стічних вод.

2. Механічне очищення.

   Механічне очищення стоків є попереднім етапом, який обов'язково передує повному очищенні стоків в очисних спорудах. Завдання механічної очистки — витягти з води осіли або зважені нерозчинні тверді частинки, волокна і Грубодисперсні домішки. Вони здатні пошкодити фільтри, які не розраховані на такий тип забруднення, а також негативно вплинути на функціонування іншого обладнання.

   

   Рисунок 1 – Стадії усереднення і механічної очищення стічних вод

   (швидкість анімації – 16.4 кількість кадрів – 5)

   Як 1–го ступеня використовується статична решітка. Грати затримують елементи від великих до середніх. Грати монтують у напрямку потоку рідини, причому елементи можуть бути встановлені похило або вертикально, але обов'язково оснащення пазух решіток зубцями грабель, що знімають сміття і відправляють покидьки на стрічку. У першому місці подача стічних вод на установку напірної флотації здійснюється зануреними насосами. Включення і виключення насосів відбувається при досягненні заданого рівня води в Усреднітель. Для вимірювання рівня стічних вод у Усреднітель передбачається рівнемір, який використовується для визначення ступеня наповнення усереднювача і управлінням роботою мішалок і подає насосів.

3. Фізико—хімічне очищення методом напірної реагентної флотації.

Механічно очищені виробничі стічні води з усереднювача насосами подаються в трубчастий флокулятор. Флокулятор обладнаний пробовідбірниками для відбору проб стічних вод на флотатор. З метою підвищення ефективності очищення стоку на флотационную очищення передбачена подача хімічних реагентів.

Флотация — це процес молекулярного прилипання частинок флотируемого матеріалу до поверхні розділу двох фаз, зазвичай газу (частіше повітря) і рідини, обумовлений надлишком вільної енергії поверхневих прикордонних шарів, а також поверхневими явищами змочування [13, 14].

флотації застосовують для видалення зі стічних вод диспергованих домішок, які мимовільно погано відстоюються. Процес очищення виробничих стічних вод, що містять ПАР (поверхнево & mdash; активні речовини), масла, волокнисті матеріали методом флотації полягає в утворенні комплексів бульбашка—частка, спливання цих комплексів і видалення утворився пінного шару з поверхні оброблюваної рідини. Прилипання частинки, що знаходяться в ній, до поверхні газового пухирця можливо тільки тоді, коли спостерігається незмочування або погане змочування частки рідиною. Освіта комплексу бульбашка—частка залежить від інтенсивності їх зіткнення один з одним, хімічної взаємодії речовин, надлишкового тиску повітря в стічній воді тощо.

Флотация супроводжується аерацією стічних вод, зниженням концентрації ПАР і легко окисляються,бактерій і мікроорганізмів. Це сприяє успішному проведенню наступних стадій очищення.

Установки напірної флотації прості і надійні в експлуатації. Метод напірної флотації має більш широкий діапазон застосування, оскільки дозволяє регулювати ступінь перенасичення відповідно до необхідної ефективністю очищення стічних вод при початковій концентрації забруднень до 4–5 г/л і більше. Для збільшення ступеня очищення в стічну воду додають коагулянти.

Процес здійснюється в дві стадії:

• насичення стічної води повітрям під підвищеним тиском;
• виділення розчиненого газу під атмосферним тиском.

При напірної флотації стічні води під тиском 0,3–0,5 МПа подаються в напірний бак (сатуратор). Туди ж компресором подають повітря. Можлива також подача повітря через водоповітряний ежектор, встановлений на байпасній лінії насоса (рис. 1.3).

Кількість повітря, що подається залежить від початкової і кінцевої концентрації забруднюючих речовин, а також їх властивостей. Насичена повітрям вода з сатуратора подається у флотаційную камеру, де виділилися зі стічної води бульбашки повітря спливають разом з частинками зважених речовин.

Флотошлам (спливаюча маса) з поверхні флотатора збирається скребками в кишеню для флотошлама. Для відкачування флотошлама зі збірного кишені передбачений шнековий насос. Флотошлам перекачується в резервуар осаду.

В процесі обробки стічної води в нижній частині флотатора відбувається утворення осаду. Для відводу осаду встановлений отсечной клапан з пневмоприводом. Клапан відведення осаду працює в таймерних режимі. Осад з флотатора за рахунок гідростатичного тиску відводиться в горизонтальну песколовку, в якій осідають важкі мінеральні домішки. Освітлена вода відводиться в усреднітель.

Для підвищення ефективності флотаційного установки в воду, що очищається дозується розчин коагулянту і флокулянта сприяють утворенню шламу, що надходить в установку, а для регулювання показника рН подається розчин гідроксиду натрію.

Для подачі розчину коагулянту, розчину гідроксиду натрію у флокулятор використовуються мембранні насоси — дозатори.

Вузол приготування і дозування розчину флокулянта складається з станції приготування розчину флокулянта і шнекового насоса & mdash; дозатора розчину флокулянта [9].

Сухий флокулянт засипається оператором в воронку флокулянта станції. Для приготування розчину флокулянта на станцію подається вода. Готовий розчин флокулянта розчин готується в верхній камері. Відбір готового розчину відбувається в нижній камері. З верхньої камери розведений розчин реагенту, після певного часу дозрівання, готовий до подальшого використання. При спустошенні нижньої камери, надходить сигнал для переливу готового розчину з верхньої камери в нижню. Насосами — дозаторами розчин флокулянта подається в точку дозування в флокулятори.

Автоматизація установки Приготування флокулянта дозволяють економіті до 20–30% коштів при закупівлі хімікатів, дозволяє Забезпечити Отримання розчин потрібної концентрації на віході, а такоже контролюваті и прогнозуваті споживання флокулянтів.

Очіщені виробничі Стічні води после фізико — хімічної очистки на установці напірної флотації надходять в колодязь відведення очищених стічних вод и потрапляють в міський колектор.

2. Мета, функції та завдання САУ

Мета створюваної системи — підвищення якості приготавливаемого розчину за рахунок розробки системи автоматичного управління приготування флокулянта, що дозволить знизити витрати на експлуатацію та обслуговування очисних споруд .

Функція САУ — це сукупність дій системи , спрямованих на досягнення приватної мети управління . Функції САУ підрозділяються на інформаційні , керуючі і допоміжні . Для реалізації поставленої мети необхідно , щоб система автоматичного управління процесом приготування флокулянта виконувала наступні функції .

Інформаційні функції САУ приготування флокулянта:

• контроль і вимір технологічних параметрів , які полягають в перетворенні значень параметрів вузла приготування флокулянта ( рівень в ємностях , концентрація , витрата ) в сигнали , придатні для сприйняття оперативним персоналом або для їх подальшої автоматизованої обробки ;
• сигналізація стану запірних органів і насосів здійснюється з допомогою колірних сигналів , відповідних певним станам засувок і насосів ;
• технологічна ( попереджувальна ) сигналізація здійснюється шляхом подачі світлових і звукових сигналів і привертає увагу персоналу до порушень технологічного процесу , що виражається в відхиленнях параметрів за допустимі межі ;
• підготовка і передача інформації в суміжні систему управління очисними спорудами і прийом інформації від цієї системи .

Керуючі функції САУ приготування флокулянта:

• дистанційне керування електроприводами виконавчих механізмів (відкрити—закрити) і насосами (включити—вимкнути).
• автоматичне регулювання концентрації та рівня флокулянта на заданому значенні ;
• автоматична захист для збереження обладнання при аварійних порушеннях роботи агрегатів вузла приготування флокулянта;
• логічне управління регулюючими органами вузла приготування флокулянта.

Допоміжні функції САУ приготування флокулянта:

• відлік часових інтервалів приготування флокулянта;
• діагностика функціонування технічних і програмних засобів САУ приготування флокулянта і підтримці їх в робочому стані .

Для реалізації обраних функцій , необхідно вирішити такі завдання :

• Дослідити особливості технологічного процесу очищення стічних вод методом напірної флотації при додаванні флокулянта і коагулянту з точки зору якості функціонування і можливості інтеграції в єдину систему управління підприємством .
• Розробити математичну модель процесу флотаційного очищення промислових стічних вод і провести дослідження динамічних властивостей обʼєкта по каналах управління і збурень .
• Розробити САУ флотаційного очищенням промислових стічних вод інваріантної до дії зовнішніх збурень в заданих діапазонах , яка дозволить підтримувати необхідну концентрацію і кількість флокулянта.
• Розробити функціональну схему автоматизації та підібрати необхідні засоби управління і вимірювання з необхідним класом точності , а також забезпечити звʼязок з системою управління всім комплексом управління очисними спорудами .
• Реалізувати програмне забезпечення та алгоритми управління на базі обраного технічного забезпечення САУ і запропонованих методів управління .
• Провести організаційно—економічне обгрунтування створення САУ флотаційного очищенням промислових стічних вод.
• Сформулювати вимоги до охорони і безпеки праці при монтажі та експлуатації САУ флотаційного очищенням промислових стічних вод.

Перелік посилань

1. Втюрин В.А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Основы АСУТП: [учебное пособие для студентов специальности 220301 "Автоматизация технологических процессов и производств"] / В.А. Втюрин. – СПб: СПбГЛТА. 2006. – 152 с.
2. Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. - СПб.: Профессия, 2003. – 752 с.
3. Гудвин Г.К. Проектирование систем управления / Г.К. Гудвин. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – 911 с.
4. Денисенко В.В. ПИД – регуляторы: вопросы реализации. Часть 1 / В.В. Денисенко // СТА. – 2007. – №4. – С. 86-97.
5. Денисенко В.В. ПИД – регуляторы: вопросы реализации. Часть 2 / В.В. Денисенко // СТА. – 2008. – №1. – С. 86-99.
6. Денисенко В.В. ПИД – регуляторы: принципы построения и модификации. Часть 1 / В.В. Денисенко // СТА. – 2006. – №4. – С. 66-74.
7. Денисенко В.В. ПИД – регуляторы: принципы построения и модификации. Часть 2 / В.В. Денисенко // СТА. – 2007. – №1. – С. 78-88.
8. Есин М.А., Ромашко А.В. Комплексный подход к очистке городских и производственных сточных вод // «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение», №12, 2013. – С. 28-32.
9. Журба М.С., Фомин И.И., Левченко О.В. Создание высокотехнологичных комплексов очистки сточных вод на основе оборудования компании «Экополимер» // «Водоснабжение и санитарная техника», №10, 2015. – С. 51-65. .
10. Кожинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды. ? М. : Издательство литературы по строительству, 1971. – 273 с.
11. Мазняк З.А., Есин М.А., Ромашко А.В. Очистка сточных вод: индивидуальный подход и проекты «под ключ» // «Мясная сфера», №1(92), 2013. - С. 64-65. с.19
12. Медведев В.С., Потемкин В.Г. Control System Toolbox. MATLAB 5 для студентов/ Под общ. ред. к.т.н. В.Г. Потемкина. – М.: ДИАЛОГ – МИФИ, 1999 – 278 с.
13. Пааль Л.Л. Справочник по очистке природных и сточных вод / Л.Л. Пааль, Я.Я. Кару, Х.А. Мельдер. – М. : Высш. школа, 1994. ? 336 с.
14. Рульнов А.А., Евстафьев К.Ю. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения. М.: Инфра-М., 2007. – 178 с.
15. Рябчиков Б.Е. Современная водоподготовка. – М.: ДеЛи принт, 2013.– 679 с.