диплом / фулл / Раздел 1

1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА

1.1 Описание технологического процесса и оборудования

состоящие из ряда основных инженерных объектов:

-водозаборного устройства со станцией первого подъёма (обычно это погружные насосы);

-узел учёта воды из водосчетчиков — расходомеров;

-водоподготовки для доведения качества воды до норм питьевой

воды;

-резервуара чистой воды;

-резервуара пожарного запаса (пожарный резервуар);

-насосной станции второго подъёма для поддержания давления и подачи воды потребителю в требуемом объёме;

-водонапорной башни (альтернатива насосной станции второго подъёма);

-станция пожаротушения (пожарные насосы);

-дренажная система выполняет отвод вод при аварийном переполнении резервуаров, подтоплении водозаборных сооружений;

-контрольно-измерительные приборы и автоматика. Данные устройства следят за работоспособностью оборудования, регулируют расходы воды, ведут журналы изменений характеристик: уровней, расхода воды,

аварийных ситуациях и т. п., выполняет автоматическое обслуживание оборудования. Полный перечень выполняемых автоматически действий зависит от конкретных требований технического задания Заказчика к объекту

водозаборного узла.

Большие (перекачивающие свыше 10 000 м³/сут.) водозаборные сооружения могут иметь собственную инфраструктуру:

-электрическую подстанцию,

-газораспределительную подстанцию (ГРП),

-котельную,

-диспетчерский пункт с возможностью нести вахту,

-лабораторию для контроля качества воды и прочее.

По характеристикам источника водозаборы разделяют на подземные и поверхностные.

Подземные источники водоснабжения, как правило, отличаются более стабильными характеристиками качества воды и относительной защищенностью от загрязнения с поверхности.

Поверхностные источники водоснабжения отличаются высокой производительностью, но требуют постоянного надзора за соблюдением санитарно-технического состояния территории поверхностного источника:

озера, реки.

Подземный источник водоснабжения подразделяются на:

-Водозаборные скважины (чаще употребим термин: артезианская скважина) для добычи артезианской воды;

-Шахтные колодцы для добычи по большей части грунтовых вод;

-Горизонтальные водозаборы, которые в свою очередь подразделяются на:

•траншейные сооружения используются для сравнительно небольшого водопотребления при малой глубине залегания подземных вод;

•галерейные (собственно галереи и штольни), которые применяются для постоянного водоснабжения относительно крупных водопотребителей,

сооружаемые при значительной глубине залегания водоносных горизонтов;

•кяризы — примитивно устроенные водозаборные сооружения,

применяемые для сельскохозяйственного водоснабжения и орошения

Лист

УО «ВГТУ» ДП.010 1-53 01 01-05 ПЗ

небольших земельных участков в полупустынных районах с невыдержанным

залеганием водоносных горизонтов;

-комбинированные водозаборы;

-лучевые водозаборы применяются для более полного захвата подземной воды — комбинация шахтного колодца с горизонтальными буровыми скважинами, заложенными в разные стороны водоносного пласта;

-каптажи родников;

Поверхностные источники для водоснабжения подразделяются на:

-речные — водоотбор из реки;

-водохранилищные — водоотбор из водохранилища;

-озерные — водоотбор из озера;

-морские — водоотбор из моря.

Для поверхностных источников выделяют, следующие виды

относительно крутых берегах реки, представляет собой бетонный или железобетонный колодец большого диаметра, вынесенный передней стенкой в реку. Вода поступает в него через отверстия, защищенные решётками, а затем проходит через сетки, осуществляющие грубую механическую очистку воды.

-Русловые водозаборные сооружения применяются обычно при пологом береге, имеют оголовок, вынесенный в русло реки. Конструкции оголовков весьма разнообразны. Из оголовка вода подаётся по самотёчным трубам к береговому колодцу; последний часто совмещен с насосной станцией первого подъёма.

-Плавучие водозаборные сооружения — это понтон или баржа, на которых устанавливаются насосы, забирающие воду непосредственно из реки.

На берег вода подаётся по трубам (с подвижными стыками), уложенным на соединительном мостике.

- Ковшовые водозаборные сооружения. Вода поступает из реки сначала в расположенный у берега ковш (искусственный залив), в конце

Лист

УО «ВГТУ» ДП.010 1-53 01 01-05 ПЗ

которого размещается собственно В. с. Ковш используется для осаждения наносов, а также для борьбы с ледовыми помехами — шугой и глубинным льдом [1].

По заданию необходимо разработать насосную станцию, с глубиной скважины в 100 м. Более подробно рассмотрим конструкцию скважин.

Конструкции водозаборных скважин зависят от глубины залегания подземных вод, характера проходимых горных пород и способа бурения.

Водозаборная скважина должна отвечать двум основным требованиям:

обеспечивать заданное количество воды с качеством, соответствующим составу воды выбранного водоносного горизонта, и быть надежной в эксплуатации.

В практике сооружения скважин на воду наиболее широкое применение получили конструкции, представленные на рисунке 1.1, и следующие способы бурения: ударно-канатный и вращательный с прямой или обратной промывкой.

Небольшое количество водозаборных скважин бурится шнековым,

колонковым и комбинированным способами.

Конструкцию водозаборных скважин следует выбирать исходя из общих геологических и гидрогеологических условий участка размещения водозабора:

-глубин залегания водоносных горизонтов, подлежащих вскрытию и эксплуатации;

-литологии пород, слагающих водоносный горизонт;

-необходимого диаметра скважины и наибольшей технико-

экономической целесообразности способа бурения в конкретных условиях [2].

С помощью водоподъемного оборудования осуществляется подъем воды из скважины и подача ее по трубопроводам и сборным водоводам в запасно-

регулирующие емкости и сооружения водоподготовки (при необходимости).

Основной элемент водоподъемного оборудования – насос – характеризуется следующими параметрами: размерами (диаметр, длина),

Лист

УО «ВГТУ» ДП.010 1-53 01 01-05 ПЗ

производительностью, напором, затрачиваемой мощностью и коэффициентом полезного действия (КПД).

Важнейшим элементом скважины является фильтр, предназначенный для защиты колодца от занесения частицами грунта из водоносного слоя.

Фильтр состоит из каркаса и фильтрующей поверхности. Каркас может быть трубчатым, с перфорацией в виде отверстий или щелей, и стержневым.

Ниже фильтрующей поверхности фильтра предусматривается участок глухой трубы (отстойник), который служит сборником для проникших в колодец мелких частиц грунта.

Конструкция устья (оголовка) скважины зависит от способа подачи воды из скважины. Вода из скважин может подаваться:

-самоизливом из напорных горизонтов (артезианские воды);

-артезианскими насосами;

-погружными насосами;

-эрлифтами;

-сифонными линиями.

Конструкция оголовка скважины должна обеспечивать полную герметичность, исключающую проникновение в межтрубное пространство поверхностной воды и загрязнений. Верхняя часть труб должна выступать над уровнем пола не менее чем на 0,5 м. Далее приведеныпримерыобустройства оголовка скважин.

Скважины должны быть оборудованы:

-уровнемерами для наблюдения за динамическим уровнем воды в колодце;

-трубопроводом для отвода воды при прокачке;

-водомером для систематического измерения расхода (дебита)

скважины;

-краном для отбора проб воды;

-клапаном для выпуска воздуха (вантузом);

-обратным клапаном и запорной арматурой.

Лист

УО «ВГТУ» ДП.010 1-53 01 01-05 ПЗ

1.2 Описание технологического процесса как объекта управления

Функциональная схема автоматизированной системы управления насосами артезианских скважин и станций водозабора представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Функциональная схема автоматизированной системы управления насосами артезианских скважин и станций водозабора

Насос из скважины закачивает воду в открытую промежуточную накопительную емкость, располагающуюся в помещении, из которой одна насосная станция Н1 качает воду на потребительские нужды, а вторая Н2 – на технические нужды. Причем отбор воды для насосной станции полива располагается у самого дна накопительной емкости НБ. Это позволяет удалять накапливаемый на дне накопительной емкости НБ в процессе работы системы водоснабжения ил, а также опорожнять емкость в случае необходимости.

Лист

УО «ВГТУ» ДП.010 1-53 01 01-05 ПЗ

Отбор же воды на водоснабжение берется на расстоянии около 100 мм от дна.

Также на линии водоснабжения дома установлен фильтр.

Для защиты от сухого хода погружного насоса ПН на выходе установлен датчик протока ДП. При получении сигнала на запуск погружного насоса ПН требуется через 3–5 с. после старта включать контроль состояния датчика протока ДП. Если по истечении этого времени датчик протока ДП не размыкает свои контакты, то система отключается примерно на 10 мин. (время заполнения скважины), после чего процесс запускается заново. Если же процесс сразу запустился удачно и по истечении определенного времени скважина осушилась, то датчик протока замкнет свои контакты, и через 3–5 с.

система отключается также на 10 мин. для заполнения скважины.

Сигналы управления погружным насосом ПН поступают от датчиков верхнего и нижнего уровней (ВУ и НУ). То есть при замыкании датчика нижнего уровня НУ запускается погружной насос ПН. После заполнения емкости и размыкания датчика верхнего уровня ВУ погружной насос ПН отключается. Для защиты от возможного перелива емкости при выходе из строя датчика верхнего уровня устанавливается датчик верхнего аварийного уровня ВАУ. При срабатывании датчика верхнего аварийного уровня ВАУ происходит отключение погружного насоса ПН. При этом после того, как уровень воды начнет падать и датчик верхнего аварийного уровня разомкнется по истечении 3 мин. (время осушения накопительной емкости при одновременно включенных обеих насосных станциях), погружной насос ПН вновь включится. То есть система как бы переходит на работу от датчика верхнего аварийного уровня с работой по уставке времени.

Для защиты насосных станций от сухого хода в накопительной емкости НБ установлен датчик нижнего аварийного уровня НАУ, при срабатывании которого блокируется их работа.

При срабатывании датчиков аварийного верхнего ВАУ и аварийного нижнего НАУ уровней выдается прерывистый звуковой сигнал.

В качестве датчиков верхнего уровня (ВУ), нижнего уровня (НУ) и нижнего

Лист

УО «ВГТУ» ДП.010 1-53 01 01-05 ПЗ

аварийного уровня (НАУ) можно применить поплавковые датчики уровня.

Предусмотрен также и ручной режим управления системой.

Реализовать схему управления представленной системы водоснабжения можно на базе промежуточных реле и реле времени [3].

1.3 Описание аналогов систем управления

Более двух лет успешно работает автоматизированная система управления насосами артезианских скважин и станции водозабора на заводе по производству солода в Белгороде. Аппаратно система реализована на базе изделий производства компании «ОВЕН». Программная реализация выполнена с использованием среды программирования и визуализации

CoDeSys 2.3 и CoDeSys HMI соответственно. На территории предприятия

«Белгорсолод» расположены семь артезианских скважин. Вода, добываемая из четырех скважин, накапливается в трех больших (350 м3) емкостях

(водобаках). Остальные три скважины используются для хозяйственно-

бытовых целей на самом предприятии (питьевая вода, санитарно-бытовые нужды, полив газонов, пожарный трубопровод). Вода из этих скважин поступает в накопительные резервуары. Из них станция водозабора производит отбор воды с помощью четырех сетевых насосов, которые поддерживают необходимое давление воды в трубопроводе. Также на станции водозабора установлены аварийные насосы: два мощных пожарных

(высоконапорных) и один дренажный, который используется в случае затопления здания водозабора. Скважины удалены на сотни метров друг от друга, а расстояние от них до накопительных емкостей от 400 до 800 м.

Управление насосами скважин и водозабора до внедрения автоматизированной системы производилось вручную. Оперативный контроль параметров: состояние насоса, давление воды, текущий и суммарный расходы воды – на станции водозабора отсутствовал.

Лист

УО «ВГТУ» ДП.010 1-53 01 01-05 ПЗ

Диспетчер для поддержания необходимого уровня воды в накопительных емкостях совершал обход всех скважин и включал/выключал насосы при помощи пульта управления. При этом ему нужно было следить за давлением и расходом воды в трубопроводе для хозяйственно-бытовых целей и опять же вручную включать/выключать сетевые насосы. Для обеспечения круглосуточного дежурства на станции водозабора в штате предприятия находилось пять человек.

Такой порядок работы не устраивал руководство, требовалось создать новую систему управления и при этом соблюсти ряд условий:

-решение должно быть недорогим;

-необходимо автоматизировать все процессы добычи воды и ее доставки потребителю;

-оператор должен иметь возможность вмешиваться в процесс управления и дистанционно управлять работой всех насосов с ПК;

-должен быть обеспечен оперативный мониторинг работы скважин,

станции водозабора, уровней воды в накопительных емкостях и архивация выбранных параметров на компьютере;

- важно вести протокол событий процессов.

Описание технического решения Диспетчерский пункт на станции водозабора был ликвидирован и

перенесен в здание котельной, а функции наблюдения за работой возложены на оператора котельной. В диспетчерской установлены компьютер и шкаф управления с контроллером ПЛК100. Контроллер подключен к ПК посредством Ethernet.

На каждой скважине установлено оборудование: модули ввода/вывода,

счетчик импульсов, устройство плавного пуска, датчик давления с токовым выходом 4…20 мА, датчик тока с выходом 4…20 мА.

На станции водозабора установлены: модули, счетчики импульсов, датчик давления, датчики тока и модули защиты двигателей для каждого сетевого

Лист

УО «ВГТУ» ДП.010 1-53 01 01-05 ПЗ

насоса. На водобаках установлен модуль МВА8 и датчики давления ПД100-ДИ.

Контроллер ПЛК100 кабелем «витая пара» объединил все скважины и станцию водозабора в одну промышленную сеть. Общая длина проложенной проводной сети составила 1700 м. В сети установлены два повторителя RS-485

производства ICP.

Возможности и функции системы Программа, загруженная в память контроллера, была разработана в

бесплатно прилагаемой среде программирования CoDeSys с использованием языков ST, CFC стандарта МЭК 61131–3. Графический интерфейс оператора разработан также в CoDeSys. Насосы для поддержания заданного уровня воды в накопительных емкостях и рабочих уровней воды в резервуарах включаются и выключаются автоматически.

Насосы водозабора создают необходимое давление в водопроводе и работают по принципу один – ведущий, остальные – ведомые. Смена ведущего насоса происходит автоматически через установленный интервал времени с учетом равномерного износа. Для каждого насоса ведется учет часов наработки.

Программа контроллера производит диагностику всех аналоговых и дискретных датчиков, установленных на объектах. Все ошибки протоколируются и визуализируются по каждому параметру: отсутствие связи по RS-485, обрыв, короткое замыкание, выход за пределы 4…20 мА,

достижение аварийных пределов. В случае выхода из строя датчика диспетчер получает информацию о характере неисправности. Если диспетчер своевременно не вмешается в процесс управления, то система продолжает работу по показаниям других исправных датчиков либо переходит на обходные ветви алгоритма управления. Анализируя параметры датчика тока,

программа, например, может определить сухой ход насоса и отключить неисправный насос либо переключить на исправный. При неисправном

Лист

УО «ВГТУ» ДП.010 1-53 01 01-05 ПЗ