Дослідження перехідних процесів в гідротранспортній системі при різних темпах закриття регулювальної засувки

Размещено на http://www.allbest.ru

Дослідження перехідних процесів в гідротранспортній системі при різних темпах закриття регулювальної засувки

СЕКЦІЯ «Електромеханічні системи з електроприводом змінного струму»

ДНІПРОДЗЕРЖИНСЬК 2013

АНОТАЦІЯ

Актуальність роботи. Проблеми підвищення надійності функціонування насосних установок (НУ) житлово-комунального господарства (системи міського водопостачання, каналізації і т.і.) і промислового сектора (системи кар'єрного й шахтного водовідливу, транспорту нафти і т.і.) в теперішній час на Україні є актуальними як ніколи. Це обумовлено тим, що значна частина насосного устаткування, запірно-регулюючої арматури, трубопроводів систем комунального, промислового водопостачання й водовідведення, що перебувають в експлуатації тривалий час, фізично й морально застаріла.

Аналіз динамічних навантажень у гідротранспортних комплексах (ГТК) показав, що аварійні режими НУ характеризуються підвищеними вібраціям стінок і проточного тракту насосного агрегату, трубопровідної арматури, значними коливаннями гідравлічного моменту на валу насоса (до 30-40% сталого значення), різким зниженням подачі до нуля на виході агрегату, кидками тиску в трубопровідній магістралі, у десятки разів перевищуючі припустимі значення, що обумовлено низькою керованістю й надійністю технологічного встаткування. Особливо важким є режим раптового відключення електроенергії насосної установки. Некеровані аварійні режими роботи характеризуються низькими значеннями ККД насосних агрегатів, значними втратами енергії, приводять до скорочення в 5-6 разів ресурсу роботи трубопровідної арматури, насосного устаткування та значних грошових витрат на ліквідацію їхніх наслідків.

Тому актуальною науково-практичною задачею є пошук нових альтернативних варіантів підвищенні надійності і ефективності роботи насосних комплексів, одним з якихє використання електромеханічної системи з частотно-регульованим електроприводом запірно-регулюючої арматури.

Мета роботи і задачі дослідження. Аналіз перехідних процесів в трубопровідній мережі при рівномірних і нерівномірних темпах закриття регулювальної засувки.

Для досягнення поставленої мети потрібно виконати наступні задачі:

розробка електромеханічної системи керування електроприводом регулювальної засувки на базі перетворювача частоти;

розробка програмного забезпечення, що дозволяє формувати рівномірні і нерівномірні темпи закриття трубопровідної арматури;

експериментальні дослідження перехідних процесів в трубопровідній мережі.

Об'єкт дослідження. Перехідні процеси в трубопровідній мережі при керуванні електроприводом регулювальної засувки.

Предмет дослідження. Підвищення тиску в трубопровідній системі при різних темпах закриття засувки.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених задач використовувались загальні методи теорії проведення .

Основні наукові та практичні результати, їх значення. Розроблено експериментальну електромеханічну систему зниження динамічних навантажень у складі лабораторної гідротранспортної системи і відповідне програмне забезпечення, що дозволяють виконати дослідження з аналізу перехідних процесів та оцінювання величини підвищення тиску в гідросистемі в аварійних режимах, пов'язаних з раптовим відключенням енергоспоживання, а також сформулювати практичні рекомендації щодо формування законів керування трубопровідною арматурою, які виключають неприпустимі динамічні навантаження і гідроудар.

Загальна характеристика наукової роботи. У роботі проведено порівняльний аналіз перехідних процесів у трубопровідній системі при рівномірних і нерівномірних темпах закриття регулювальної засувки.

КЛЮЧОВІ СЛОВА. Насосні установки, трубопровідна арматура, система керування, математична модель, програма керування.

ДОВІДКА

Про ступінь самостійності студентської роботи

Перед студентом була поставлена задача - розробка віртуального стенда з такими характеристиками:

- ядром стенда є мікроконтролер INTEL 8051. Необхідно забезпечити коректну взаємодію контролера та периферійних пристроїв.

- робота віртуального стенда повинна бути наближена до роботи реального стенда EV8031/AVR. Програмне забезпечення, написане для віртуального стенда, повинно бути сумісним з реальним стендом.

-стенд забезпечує обмін інформацією між мікроконтролером
INTEL 8051та периферійними пристроями: статична індикація, динамічна індикація, клавіатура, кнопки, лінійка світлодіодів, цифро-аналоговий перетворювач, світлодіодна матриця, комунікаційний послідовний порт.

-звертання ядра INTEL 8051до периферійних пристроїв має бути оформлено як звертання до комірок зовнішньої пам'яті, крім кнопок, що під'єднанні до спеціальних виводів мікроконтролера.

ЗМІСТ

1. АНАЛІТИЧНА ЧАСТИНА

1.1 Аналіз та технічний опис стенду

1.2 Функціональне призначення та можливості стенду

1.3 Опис основних елементів стенду

2. ДОСЛІДНИЦЬКА ЧАСТИНА

2.1 Програма керування трубопровідною арматурою

2.2 UML-діаграма стану роботи програми

2.3 Опис основних елементів стенду

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1 АНАЛІТИЧНА ЧАТИНА

1.1 ОПИС ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНОЇ СИСТЕМИ ЗНИЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ В НСОСОСНОМУ КОМПЛЕКСІ

Для вирішення цілого ряду науково-дослідницьких і науково-прикладних задач, пов'язаних з розробкою енергозберігаючих режимів роботи гідротранспортних систем (ГТС) створений багатофункціональний комплекс дрібномасштабної ГТУ [6], що дозволяє досліджувати перехідні процеси в системі при різних темпах управління трубопровідною арматурою, і оцінювати динамічні навантаження в трубопровідної мережі

Лабораторний комплекс моделі гідротранспортної системи подачі води призначений для вивчення режимів роботи гідравлічних машин (насосів, турбін), принципів їх роботи, що відбуваються в трубопровідної гідромережі. Функціональна схема лабораторного стенду для дослідження режимів роботи насосних установок (НУ) зображена на рис. 2.1. Вона включає перший і другий насосні агрегати НА1 і НА2 відповідно, які можуть бути з'єднані як послідовно, так і паралельно. Напорно-витратні характеристики помп представлені на рис.2.2, 2.3, а їх технічні характеристики в табл. 2.1. Технічні характеристики приводних двигунів АД1, АД2 однойменних НА наведені в табл. 2.2. Стенд оснащений засувкою Z27 на всмоктуванні та засувкою Z14 в напірному патрубку НА1; засувкою Z28 на всмоктуванні та засувкою Z17 в напірному патрубці НА2; датчиками тиску H1-H4, призначеними для визначення напору в трубопровідній мережі, технічні дані датчиків тиску, їх налаштування і лістинг помилок наведені в табл. 2.3-2.6; і датчиками витрат Q1 і Q2. Система побудована з використанням поліпропіленових труб, технічні характеристики яких наведено в табл. 2.7. Насосна установка працює за принципом циркуляційної системи, де приймальною та вихідною ємністю є один і той же резервуар Р1 з водою (об'ємом 1,08 м3). Протитиск (статичний напір) у системі створюється за рахунок резервуару Р2, встановленого у вищій точці системи. В напірному трубопроводі НА2 установлено зворотний клапан ЗВ для запобігання зворотного руху рідини через другий насос і захисту його від гідроудару.

У трубопровідій мережі встановлена гідравлічна машина, яка працює в турбінному режимі і підключається за допомогою засувок Z18 і Z19. Тиск турбіни Т контролюється датчиком тиску H3. На одному валу з турбінним агрегатом встановлений асинхронний генератор (АГ), генеруючий енергію в мережу через перетворювач частоти ПЧ3. Контроль струму, напруги та потужності АГ здійснюється амперметром А3, вольтметром U3 і ватметром W3 відповідно; контроль швидкості обертання вала турбіни відбувається за допомогою тахогенератора ТГ3, який встановлений на одному валу з АГ.

Для дослідження явища кавітації в системі передбачені два кавітаційних контури К1 та К2. Оскільки кавітаційні явища мають змінний характер і залежать крім інших параметрів і від температури рідини, в гідросистемі існує можливість підігріву робочого тіла за допомогою нагрівача, який живиться від тиристорного регулятора напруги (ТРН).

	Малюнок 2.1 - Функціональна схема лабораторного стенду

Контроль струму, напруги та споживаної потужності асинхронного двигуна АД1 здійснюється датчиками напруги і струму ДН1-3 і ДТ1-2 відповідно, і ватметрів W1 (рис. 2.2). Контроль швидкості обертання АД1 здійснюється за допомогою тахогенератора ТГ1, який встановлений на одному валу з АД1, і візуально за допомогою функціональних можливостей ПЧ. Датчики струму ДТ і датчики напруги ДН призначені для електронного знімання миттєвих значень струму і напруги, що діють в ланцюзі АД1. Контроль струму, напруги та споживаної потужності АД2 здійснюється за допомогою датчиків напруги і струму ДН4-6 і ДТ3-4 відповідно і ватметри W2 (рис. 2.2). Датчики призначені для електронного знімання миттєвих значень струму і напруги, що діють в ланцюзі АД2. Контроль швидкості обертання приводного двигуна другого насоса відбувається за допомогою тахогенератора ТГ2, що встановлений на одному валу з АД2. Технічні дані ватметрів наведено в табл. 2.7, датчиків струму - в табл. 2.8, датчиків напруги - в табл. 2.9 і датчиків швидкості - в табл. 2.10.

Технічні дані гідравлічного устаткування, яке використовується в лабораторному комплексі, наведено в табл. 2.3-2.4.

У силового ланцюга АД1 встановлений трьохфазний перетворювач частоти ПЧ1 з номінальною вхідною напругою 380 В. У силовому ланцюзі АД2 також встановлений трьохфазний перетворювач частоти ПЧ2. Технічні характеристики та параметри перетворювачів частоти, що застосовані в стенді приведені в табл. 2.5.

Технічні характеристики ТРН наведені в табл. 2.6.

Сигнали з електронних датчиків тиску H1-H4, витрати Q1, Q2, напруги ДН1-ДН6 і струму ДТ1-ДТ4 надходять на плату E14-440 аналогово-цифрового перетворення (АЦП), встановлену в ЕОМ. З її допомогою відбувається опитування датчиків, обробка даних відповідно до визначеного алгоритму функціонування і команд операторів. Відпрацювання сигналів управління здійснюється за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП). Технічні характеристики АЦП-ЦАП наведені в табл. 2.11-2.

Малюнок 2.3 - Паспортні характеристики центробіжного насосу типу

MHI-402

Таблиця 2.1 - Технічні дані

Позначення на схемі	Тип насосу	Подача, м3/год	Напір, м	Частота обертання, об/хв
Насос 1	Willo MHI 202.1	5х10-3	22	3000
Насос 2	Willo MHI 402.1	8х10-3	18	3000

Таблиця 2.2 - Технічні дані двигунів

Позначення на схемі	Тип ЄП	P, кВт	Uн, В	Iн, А	cos	, %	n0, об/хв
АД1	MHI 202-1/E/3	0,83	380	1,7	0,72	66	3000
АД2	MHI 402-1/E/3	0,83	380	1,7	0,72	66	3000
АГ	ГПТ-2	0,18	90	2	-	60	1500

Таблиця 2.3 - Технічні дані труби

Матеріал та тип труби	Діаметр внутрішньго проходу, мм	Температура робочого средовища, єС	Робочий тиск МПа
Поліпропилен, РР-R	63 50	до + 80	до 16

Таблиця 2.4 - Технічні дані трубопровдної арматури

Назва	Умовний прохід: діаметр, мм	Умовний тиск, МПа	Робочя температура, Сє
Шарові крани	25 50 63	0,6	до + 150
Обратний клапан	50	0,6	до 600

Таблиця 2.5 - Технічні дані перетворювачів частоти

Позначення на схемі	Тип	S, кВА	Uн, В	Iн, А	Потужність приводного ЄП, кВт
ПЧ1	Lenze ESMD 152 X2FSA	3	400	8,3	0,83
ПЧ2	Mitsubishi Electric FR-D700	1,5	380	5,9	0,83

Таблиця 2.6 - Технічні дані ТРН

Позначення на схемі	Тип	S, кВА	Uн, В	Iн, А	Потужність приводного ЄП, кВт
ТРН	-	4	200-400	10	0,7

Таблица 2.7 - Технічні дані ватметрів

Позначення на схемі	Тип прибору	Вимірювання струму	Uн, В	Iн, А	W, кВт	Частота мережі	Клас точності
W1	Ц301	перемен.	380	5	1	50	1,5
W2	Ц301	перемен.	380	5	1	50	1,5
W3	Ц301	перемен.	380	5	1	50	1,5

Таблица 2.8 - Технічні дані датчиків стуму

Позначення на схемі	Тип	Вхідний струм, I, А	Вихідний струм, I, А	Номінальна потужність Р, кВт
ДТ1-ДТ4	ТТП20/5-50	20	5	0,66

Таблица 2.9 - Технічні дані датчиків напруги

Позначення на схемі	Тип	Вхідна напруга, U, В	Вихідна напруга, U, В	Номінальна потужність Р, Вт
ДН1-ДН6	ТПП-279-220-50	220	5	5

Таблица 2.10 - Технічні дані датчиків швидкості

Позначення на схемі	Тип	n, об/хв	Вихідна напруга, U, В
ТГ1,ТГ2,ТГ3	ТГ-24-03	3000	0-10

Таблиця 2.11 - Технічні характеристики АЦП Е14-440

Тип модуля	Е14-440
Кількість каналів	16 дифиренційних або 32 з загальною землею
Разрядність АЦП	14 біт
Діапазони вихідного сигналу	±10 В; ±2.5 В; ±0.625 В: ±0.156 В
Напруга синфазного сигналу	±10 В (не залежить від діапазону)
Розрядність, розрахована по відношенню сигнал / шум на заземленому вході при частоті АЦП 400 кГц	Підсилення 1 13.8бит Підсилення 4 13.8 бит Підсилення 16 13.5бит Підсилення 64 13.0бит
Час перетворення	2.5 мкс
Вхідний опір	Не менше 1 МОм
Максимальна частота перетворення	400 кГц
Захист входів	При підключеному живленні ± 30В При не підключеному живленні ± 10 В
Інтегральна нелінійність перетворення	макс. ±1.5 МЗР
Дифиренційна нелінійність перетворення	Макс.- 1 до +1.5МЗР
Зсув нуля без калібровки	Макс ±4 МЗР
Міжканального проходження на частоті сигна-ла10кГц при коефіцієнті підсилення «1» і макс частоті пуску АЦП	-78 дБ
Кількість каналів	2
Розрядність	12 бит
Максимальна сумарна частота перетворення	125 кГц
Час встановлення	8мкс
Максимальний вихідний струм	2 мА
Вихідний діапазон	±5 В

1.2 ОПИС ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНОЇ СИСТЕМИ ЗНИЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ В НАСОСОСНОМУ КОМПЛЕКСІ

Особливості спрацьовування трубопровідної арматури насосних комплексів (НК) різних галузей промисловості та комунального господарства призводять до появи в системі небезпечних за своїми наслідками перехідних процесів, що призводять до зниження надійності та ефективності роботи електромеханічного і гідравлічного обладнання. Для управління динамічними навантаженнями в гідросистемі необхідно задавати певний темп управління регулювальними засувками і гідро клапанами.

Існуючі способи зниження динамічних навантажень в насосних станціях з запірно-регулюючою арматурою базуються на:

- збільшенні часу закриття засувки з дотриманням рівномірного темпу управління;

- формуванні нерівномірного темпу закриття запірно-регулюючої арматури при зменшенні з часом швидкості, що реалізується дискретно в декілька ступенів за рахунок використання нерегульованого асинхронного електроприводу, що має кілька частот обертання.

До недоліків цих способів можна віднести: відсутність можливості управління запірно-регулювальною арматурою при раптовому зникненні електроживлення насосної станції; відсутність регульованого електропривода трубопровідної арматури, що дозволяє здійснювати безперервну зміну швидкості і формування будь-якої траєкторії закриття арматури; при управлінні арматурою не враховується нелінійний характер залежності гідравлічного опору ? від відносної ступеня відкриття ?.

Для зменшення коливань тиску в гідросистемі лабораторного стенду при управлінні засувкою Z6 використовується електромеханічна система зниження динамічних навантажень (ЕССДН). Вона дозволяє задавати такий темп управління запірно-регулювальною арматурою, при якому напір в трубопровідній мережі у арматури не перевищить максимально допустимого значення.

Існуючі способи зниження динамічних навантажень в НС з запірно-регулюючою арматурою базуються на:

- Збільшенні часу закриття засувки з дотриманням рівномірного темпу управління;

- Формуванні нерівномірного темпу закриття запірно-регулюючої арматури зі змінною в часі швидкістю, що реалізується дискретно в декілька ступенів за рахунок використання нерегульованого асинхронного електроприводу (ЕП), що має кілька частот обертання.

До недоліків цих способів можна віднести: відсутність можливості управління запірно-регулювальною арматурою при раптовому зникненні електроживлення НС; відсутність регульованого ЕП трубопровідної арматури, що дозволяє здійснювати безперервну зміну швидкості і формування будь-якої траєкторії закриття арматури; при управлінні арматурою не враховується нелінійний характер залежності гідравлічного опору ? від відносної ступеня відкриття ?.

Для зменшення коливань тиску в гідросистемі лабораторного стенду при управлінні засувкою Z6 використовується електромеханічна система зниження динамічних навантажень (ЕССДН). Вона дозволяє задавати такий темп управління запірно-регулювальною арматурою, при якому напір в трубопровідній мережі у арматури не перевищить максимально допустимого значення

Малюнок 2.4 - Функціональна схема ГТС з електромеханічною системою зниження динамічних навантажень

На рис. 2.4 наведена функціональна схема ЕССДН, яка включає в себе: запірно-регулюючу арматуру ЗА, встановлену на виході відцентрового насоса ЦН з приводним асинхронним електродвигуном АД1; перетворювач частоти ПЧ, підключений до асинхронного привідного двигуна арматури АД2, вал якого з'єднаний з її шпинделем через редуктор Р; датчик положення ДП запірного органу трубопровідної арматури ЗА; пристрій управління УУ; аналого-цифровий перетворювач АЦП; персональний комп'ютер ПК.

Для контролю та індикації положення робочого органу засувки ви-користується пристрій керування фірми «Овен» ПКП1І-Щ1.RS, який дозволяє здійснювати: контроль положення засувки по числу обертів вала і періоду проходження імпульсів, що надходять з датчика на валу засувки; реєстрацію положення засувки та керування електроприводом по інтерфейсу RS-485.

Малюнок 2.5 - Принципова схема підключення елементів ЭССДН

Прилад ПКП1І-Щ1.RS (рис. 2.6) призначений для дистанційного керування електроприводом засувки або затвором із застосуванням кінцевих вимикачів, або без застосування кінцевих вимикачів - якщо конструкція засувки (затвора) дозволяє встановити датчик числа обертів вторинного валу електроприводу. В останньому випадку контроль положення засувки здійснюється по числу обертів вала, що зчитуються з датчика на валу електроприводу.

Прилад дозволяє здійснювати наступні функції:

- Забезпечення автоматичної зупинки електроприводу при досягненні засувкою крайнього положення і формування сигналу про відповідне положення;

- Контроль та індикацію поточного становища засувки у відсотках;

- Вимикання керування електроприводом з видачею сигналу «Аварія» при заклинюванні засувок в процесі руху або холостому ході механізмів приводу;

- Збереження інформації про становище засувки при знеструмленні;

- Контроль положення засувки (при встановленому модулі з струмовим виходом від 4 до 20 мА);

- Контроль і управління привода через інтерфейс зв'язку RS-485.

Прилад має п'ять вбудованих виходів: два для управління запуском електроприводу і три для видачі сигналів про досягнення кінцевих положень засувки і сигналу «Аварія».

Технічні характеристики ПКП1І-Щ1.RS наведено в табл. 2.13.

2. ДОСЛДНИЦЬКА ЧАСТИНА

2.1 Розробка програмного забезпечення для керування темпом закриття трубопровідної арматури

регулювальна засувка програмний

Для управління динамічними навантаженнями в гідросистемі необхідно задавати певний темп управління регулювальною засувкою. У зв'язку з цим розроблено програму у візуальному середовищі програмування Lab VIEW, що дозволяє керувати темпом закриття і відкриття трубопровідної арматури при різних положеннях засувки. Різке і плавне керування виробляється шляхом рівномірного закриття засувки при незмінній частоті живлячої напруги 50 Гц і 5 Гц відповідно. Мінливий темп закриття здійснюється при змінній частоті живлення засувки в межах від 40 Гц до 5 Гц, в момент часу, коли напір у трубопроводі починає зростати. На моделі такий режим закриття забезпечує зворотний зв'язок похідної по напору.

На рисунку 11 наведені основне і допоміжне робочі вікна програми управління трубопровідною арматурою. Програма містить два вікна: вікно панелі ПКП1І-RS і вікно налаштування АС4.

Вікно панелі ПКП1І-RS призначене безпосередньо для управління трубопровідною арматурою. З його допомогою можна задавати швидкість закриття або відкриття засувки при різних її положеннях.

а) б)

Малюнок 11. - Програма для керування трубопровідною арматурою, а) основнє вікно; б) додаткове вікно

Основне вікно програми складається з кількох керуючих блоків: цифрової індикації, частотно-відсоткового графіку, блоку редагування ступеня і частоти значень закриття арматури, панелі індикації поточних процесів, керуючих кнопок та блоку виведення повідомлень.

Цифровий індикатор вказує в процентному співвідношенні ступінь відкриття або закриття трубопровідної арматури. При значенні 100% трубопровідна арматура знаходиться у відкритому стані, при закритті процентне число зменшується, а в результаті повного закриття засувки значення на індикаторі досягає рівня 0%. Зовнішній вигляд блоку цифрової індикації представлений на рисунку 12.

Малюнок 12. - зовнішній вигляд блоку цифрової інжикації

Частотно-відсотковий графік призначений для відображення поточного стану процесу. Він відображає стан закриття трубопровідної арматури в зіставленні з поточною частотою закриття. На даному графіку відображаються всі умови, що були задані в блоці частоти і ступеня закриття. Натиснувши кнопку «Изменить» користувач може задати кількість кроків закриття, які можуть відрізнятися швидкістю закриття при різних положеннях трубопровідної арматури. При натисканні кнопки «Вставить» нова умова зберігається і відображається на графіку та в таблиці умов. Кнопка «Удалить» застосовується для видалення умов. Таблиця містить такі основні пункти: порядковий номер умови (№), кут положення трубопровідної арматурои в поточному положенні (в,%), частоту закриття, яка відповідає частоті живлення (fпіт, fгц). По переходу на вкладку «Степень открытия» користувач може змінювати ступінь відкриття за допомогою повзунка в діапазоні від 0 до 100%. На рисунку 13 наведено блок управління і відображення закриття трубопровідної арматури.

а) б)

Малюнок 13. - блок керування та відображення закриття трубопровідної арматури, а) керування умовами, б) керування повзунком

На панелі встановлені індикатори для відображення діючих процесів. При закритому стані світиться індикатор «Закрыто», а при відкритому відповідно «Открыто». Індикатори руху вказують на напрямок трубопровідної арматури. У випадку аварії при роботі пристрою (заклинюванні засувки) загоряється індикатор «Перегрузка».

Для керування трубопровідною арматурою необхідні кнопки управління, які розташовані нижче світлової індикації. Кнопка «Стоп / Сброс» необхідна для зупинки руху засувки, а також для скидання поточного процесу. Кнопка «Закрыть» відповідає за закриття, а кнопка «Открыть» за відкриття трубопровідної арматури. Вся додаткова інформація про процеси, відображається в строці інформаційних повідомлень. На малюнку 14 наведена панель індикації, кнопки управління і вікно інформаційних повідомлень.

Малюнок 14. - панель індикації, кнопки управління та вікно інформаційних повідомлень

Далі актуально розглянути допоміжне вікно, вікно налаштування АС4. Дана вкладка необхідна для установки з'єднання з аналогово-цифровим перетворювачем. Для установки зв'язку необхідно задати: номер порту, швидкість передачі даних через даний порт. Для правильного з'єднання першим програма відправляє біт парності, після якого йдуть біти що містять дані. Для зупинки передачі сигналу, передається стоповий біт. Всі передачі здійснюються через інтерфейс RS485. У вікні вказується адреса підключеного пристрою і його довжина в бітах. Для установки зв'язку натискається кнопка відкриття порту, при припиненні зв'язку відбувається закриття порту за допомогою відповідної кнопки.

Дана програма дозволяє проводити управління трубопровідною арматурою на віддаленому від неї відстані. Це дозволяє віддалити пункт управління від місця роботи, за допомогою даного устаткування є можливість створювати єдиний загальний центр управління та знизити втручання людини в процеси управління.

2.2 UML-діаграма стану роботи програми

На сьогоднішній день для складного опису програм керування все частіше застосовують UML діаграми. Дані діаграми дозволяють значно спростити складність та ступінь розгалуження опису роботи програми.

На рисунку 15 приведена UML діаграма стану роботи програми аварійного закриття трубопровідної арматури.

Малюнок 15 - UML діаграма стану роботи програми аварійного закриття трубопровідної арматури

Для початку роботи програми користувач повинен обрати порт підключення до АЦП, через який буде відбуватись з'єднання та отримання даних щодо перехідних процесів в трубопровідній мережі. Після вибору порту програма очікує від користувача команди щодо з'єднання. При натисканні кнопки «Открыть порт» програма проводить відкриття порту, а саме: автоматично встановлює оптимальну швидкість зв'язку, посилає біт парності до АЦП, та в разі його успішного проходження передає початкові біти даних. Після успішного проведення всіх попередніх операцій порт є відкритий. В разі помилки відбувається повторна спроба встановлення з'єднання.

Користувач повинен задати умови закриття трубопровідної арматури, а саме: встановити кількість етапів закриття та бажану швидкість закриття на кожному з етапів. Це відбувається введенням умови відсотку закриття трубопровідної арматури, а також встановлення швидкості закриття. В свою чергу програма відображає на панелі введені умови та дублює їх на графіку.

Після встановлення оптимальних умов закриття користувач надає команду про закриття трубопровідної арматури. В цей час через відкритий канал з датчиків надходять графіки стану поточного процесу закриття арматури. Весь час закриття супроводжується індикацією поточного процесу. Даний процес відбувається до тих пір, поки трубопровідна арматура не буде повністю закрита. Програма очікує на закриття та в цей самий час продовжує відображати поточний стан арматури. Після завершення закриття припиняється отримання даних.

По закінченню роботи користувач закриває порт з'єднання та припиняє роботу програми.

2.3 Аналіз експериментальних кривих

Для дослідження динамічних навантажень в насосному комплексі при керуванні трубопровідною арматурою було проведено ряд експериментів при різних темпах її закривання.

На рисунку 16 представлені графіки закриття трубопровідної арматури з постійною швидкістюзакриття 5 Гц. На першому з графіків показано напір води на датчиках тиску, що знаходяться до (Н1) та після (Н2) трубопровідної арматури, а також графіки напруги закриття (Uclose), та напруги, що зв'язана з частотою закриття арматури (Ufreq). В момент часу від 4с. до 7с. припиняє роботу насос що качає воду. В зв'язку з цим відбувається падіння тиску на обох датчиках тиску, після чого тиск поступово вирівнюється. В цей час відбувається закриття трубопровідної арматури, по закінченню якого тиск на першому датчику падає. В свою чергу другий датчик фіксує тиск гідроудару, який відбувається в результаті тиску води, що знаходиться в верхньому розширювальному резервуарі. На нижньому графіку приведені показники витрати води. Слід відзначити, що при припиненні роботи насосу витрата води падає, а при закритті, деяка частина води перетікає в зворотному напрямку. На сусідніх графіках зображені напруга, та струм які знімаються з приводу закриття трубопровідної арматури під час її роботи. З графіку видно, що при постійній швидкості закриття напруга є постійною, крім початку закриття, де виділяється початковий стрибок. Що стосується струму, він також є майже постійний на всьому проміжку часу. Це обумовлене сталою швидкістю закриття трубопровідної арматури.

Малюнок 16. - закриття трубопровідної арматури з постійною швидкістю закриття 5 Гц.

Далі доцільно розглянути випадок, коли частоту закриття збільшили до 10 Гц на всьому проміжку часу. На першому графіку спостерігається різниця від попереднього у напрузі закриття - 10В, а також відзначається більш сильний гідроудар, який показує датчик Н2. Проте, час закриття зменшився, це спричинила швидкість самого закриття арматури. На нижньому графіку помітно, що витрати води падають, а при закритті вода перетікає в зворотному напрямку. Після повного закриття виникає приток в зворотному напрямленні. Слід зазначити, що на графіку напруги, нічого не відрізняється від попереднього досліду, але графік струму суттєво відрізняється від попереднього. Це зумовлено тим, що на останніх обертах закриття трубопровідної арматури відбувається затискання, на яке і припадає значна зміна рівня струму. В порівнянні з попереднім змінюється весь час закриття, це зумовлене швидкістю закриття трубопровідної арматури.

Малюнок 17. - закриття трубопровідної арматури з постійною швидкістю закриття 10 Гц

Наступним експериментом є закриття трубопровідної арматури з постійною частотою закриття в 20 Гц. На відміну від попередніх графіків на даному графіку спостерігається сильна зміна параметрів на датчику тиску Н2, після повного закриття. Також спостерігається зміна напруги яка присутня на засувці, вона відповідає 20В = 20Гц. Також помітно, що витрата води змінюється після закриття, це спричинено дією гідроудару. В цьому випадку вода рухається у зворотному напрямку. На графіку струму під час закриття арматури струм під час закриття був ще менший за попередній, але так само зріс в момент затискання. Графік напруги, по її значенню є незмінний. Слід зазначити, що час, який потрібен на повне закриття трубопровідної арматури зменшився, але при цьому виріс гідроудар після повного закриття.

Малюнок 18. - закриття трубопровідної арматури з постійною швидкістю закриття 20 Гц

При закритті трубопровідної арматури з постійною частотою 40Гц відбувається найбільший гідроудар. Дану подію фіксує датчик тиску Н2, в свою чергу датчик тиску Н1 залишається незмінним від попередніх. Також помітна зміна напруги закриття та самої частоти. На нижньому графіку слід відмітити, що витік води в зворотному напрямку суттєво зріс. Це зумовлено великою швидкістю закриття та сильним зворотнім ударом води. При даному закритті напруга є незмінна, крім останнього моменту часу, коли арматура під час затискання утворює падіння напруги. Щодо струму, то у перший момент часу спостерігається різке його підвищення в момент запуску, далі іде нормальна робота. Під час затискання струм знову досягає максимального значення.

Даний метод закриття трубопровідної арматури є найбільш ризикованим. В результаті такого закриття може відбутися порив трубопроводу, що приведе до затоплення та необхідності ремонту трубопроводів. Даний метод є найбільш швидкий для закриття в часі, але найбільш ризикований по відношенню до експлуатації обладнання та трубопроводів.

Малюнок 19. - закриття трубопровідної арматури з постійною швидкістю закриття 40 Гц

На рисунку 20 приведено графіки закриття трубопровідної арматури за частотами закриття в 40Гц до 80% закриття, та 20Гц - останні 20% закриття. В такому випадку за рахунок зменшення швидкості закриття на останніх 20% вдається знизити вплив гідроудару на гідро транспортну систему. Це помітно на першому графіку, на якому тиск на датчик Н2 є меншим ніж при попередньому результаті. Все решта є незмінним, окрім зміни напруги закриття, яка відповідає 40В та 20В відповідно. Також помітна зміна у витраті води. В цьому випадку вона є більшою. На графіках напруги та струму помітні суттєві зміни при різних швидкостях закриття трубопровідної арматури. Також чітко визначено сам момент запуску та перемикання швидкості на графіку струму.



Малюнок 20. - закриття трубопровідної арматури з змінною швидкістю закриття 80% - 40 Гц, 20% - 20Гц.

При приведенні закриття трубопровідної арматури з параметрами 40Гц до 80% закриття, та 10Гц - останні 20% закриття відмічається суттєве зменшення гідроудару на датчику Н2, а також падіння напруги на засувці, що відповідає частоті закриття. При цьому витрата води ще більш зростає під час закриття. Напруга суттєво відрізняється одна від одної. На графіку струму помітно початкове значення, струм при швидкості закриття 40Гц, потім перехід на 10Гц, а затискання арматури. Даний метод відрізняється від попереднього часом закриття, але він є ще більш безпечніший для устаткування.



Малюнок 21. - закриття трубопровідної арматури з змінною швидкістю закриття 80% - 40 Гц, 20% - 10Гц.

Для порівняння нижче приведений випадок закриття трубопровідної арматури з параметрами 40Гц до 80% закриття, та 5Гц - останні 20%. При цьому гідроудар є найнижчим, та відповідає рисунку 16, але час закриття при цьому значно менше. Це зумовлене швидким закриттям арматури до межі 80%. В такому випадку показники датчику Н2 зменшаться в порівнянні з попередніми. Витрата води ще більш зросте, це зумовлене повільним закриттям арматури на останніх 20%. На графіку напруги чітко видно відзнаку обох темпів закриття. Графік струму також фіксує початковий струм закриття, потім закриття при 40Гц, та підвищення струму при 5Гц та момент затискання.



Малюнок 22. - закриття трубопровідної арматури з змінною швидкістю закриття 80% - 40 Гц, 20% - 5Гц.

Даний метод є найбільш безпечним, але і повільнішим в порівнянні з двома попередніми. Аналіз проведених досліджень показав, що найбільш пагубна для аварійних режимів закриття трубопровідної арматури є висока швидкість закриття. В результаті високої швидкості відбувається найпотужніший гідроудар, що може привести до пориву трубопроводів. При повільному закритті трубопровідної арматури гідроудар є найменшим, але час закриття суттєво зростає, що неприпустимо під час аварійного закриття. Тому, оптимальними умовами є закриття з кількома швидкостями. Перша швидкість може бути максимально допустима, та складати 80% всього закриття. Інші 20% обираються в залежності від стану трубопроводів, об'єму води та необхідності швидкого закриття. Використання даного методу суттєво зменшує ризик аварії під час аварійного закриття, та дозволяє зменшити вплив гідроударі на всю систему водопроводу.

Перелік посилань

1. Вишневский К.П. Переходные процессы в напорных системах водоподачи / Вишневский К.П.- М.: Агропромиздат, 1986. - 135с.

2. Фокс Д.А. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах / Фокс Д.А. - М: Энергоиздат, 1981. - 248с.

3. Кравец А.М. Особенности динамических режимов в гидротранспортных системах с управляемой трубопроводной арматурой / А.М.Кравец, Т.В.Коренькова // Вісник КДПУ.Наукові праці КДПУ. - Вип. 3(44). Ч.1. - Кременчук: КДПУ, 2007. - С. 162-167.

4. Кравец А.М.Математическая модель гидротранспортного комплекса с управляемой трубопроводной арматурой/ А.М.Кравец, Т.В.Коренькова//Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Щоквартальний науково-виробничий журнал. -Вип. 2 (6). -Кременчук: КДПУ, 2009.-C. 29-32.

5. Кравец А.М.Способ снижения динамических загрузок в насосном комплексе с управляемым гидроклапаном / А.М.Кравец, Т.В.Коренькова// Електромеханічні і енергозберігаючі системи.Щоквартальний науково-виробничий журнал. - Вип. 3 (11). -Кременчук: КДУ, 2009. - C. 41-45.

6. Коренькова Т.В.Экспериментальный комплекс-тренажер гидротранспортной установки / Т.В.Коренькова,
А.А.Сердюк, А.Л.Перекрест, В.Н. Шоколов // Вісник КДУ. Наукові праці КДУ. - Вип. 4 (63).Ч.2. - С. 64-67.

Размещено на http://www.allbest.ru