Проект системы автоматизированного управления насосными агрегатами станции II подъема комплекса обезжелезивания и деманганации

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 94 стр. машинописного текста, 15 таблиц, 13 рисунков, список использованных источников - 24 наименования, 2 приложения.

ДЕМАНГАНАЦИЯ, АВТОМАТИЗАЦИЯ, НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ, ИЗМЕРЕНИЕ, РЕГУЛИРОВАНИЕ, УПРАВЛЕНИЕ, УРОВЕНЬ, ДАВЛЕНИЕ, КОНТРОЛЛЕР, ДАТЧИК, ЗАЩИТА, SEPAM.

Объектом исследования является насосная станция II подъема комплекса обезжелезивания и деманганации вод Амурского водозабора в пласте (г. Комсомольск-на-Амуре).

Целями создания и внедрения АС являются:

- поддержание оптимального давления и расхода в напорных трубопроводах;

- автоматизация управления оборудованием насосной станции II подъема;

- своевременное реагирование на аварийные ситуации;

- исключение влияния человеческого фактора на процедуру сбора и обработки информации.

В результате создания АС должны быть достигнуты следующие технические, технологические, производственно-экономические и другие показатели:

- оптимизация работы насосных станций;

- экономия энергоресурсов и воды;

- безопасность для жизни и здоровья людей при эксплуатации объекта;

- своевременное обнаружение аварий.



Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ И ДЕМАНГАНАЦИИ ВОДЫ

1.1 Химизм процессов в воде с участием железа

1.2 Методы обезжелезивания воды

1.3 Деманганация воды

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

3. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

3.1 Структура системы автоматического управления

3.2 Комплекс технических средств нижнего уровня

3.2.1 Выбор средства измерения давления

3.2.2 Выбор электроприводов вращения для шаровых вентилей и клапанов

3.3 Комплекс технических средств среднего уровня

3.3.1 Средство управления и сбора данных

3.3.2 Выбор контроллера

4. РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1 Расчет и выбор насосных агрегатов

4.2 Разработка структурной схемы автоматического управления насосными агрегатами

4.3 Выбор частотного преобразователя

4.4 Выбор силового выключателя

5. ВЫБОР СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.1 Защита двигателей насосных агрегатов

5.1.1 Алгоритм работы защиты двигателя насосных агрегатов

5.1.2 Разработка программного обеспечения для устройства защиты и измерения Sepam

6.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ НАСОСНЫМИ АГРЕГАТАМИ

6.1 Характеристика технико-экономической эффективности модернизации

6.2 Критерий экономической оценки эффективности модернизации

6.3 Расчет капитальных вложений на внедрение проекта САУ НА

6.4 Расчет экономического эффекта в результате внедрения САУ НА

6.5 Расчет экономической эффективности от внедрения САУ НА и срок его окупаемости

7. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО БЖД НА НАСОСНОЙ СТАНЦИИ. ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

7.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов

7.2 Опасные факторы, связанные с использованием электрической энергии

7.3 Мероприятия защиты и предотвращения воздействия повышенного напряжения в электрической цепи на человека

7.4 Требования к персоналу, допускаемому к обслуживанию электроустановок

7.5 Средства защиты

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ



ВВЕДЕНИЕ

О том, что технологические комплексы городского хозяйства, обеспечивающие жизнедеятельность населения, не могут быть реализованы без современных средств автоматизации, известно всем и давно. Действительно, нужно измерять, контролировать основные технологические параметры процессов, следить за их отклонениями состоянием оборудования. Нужно иметь возможность дистанционно (из диспетчерского пункта) включать и отключать отдельные агрегаты, открывать и закрывать задвижки; обеспечивать режимы работы установок путём поддержания наиболее важных параметров на заранее рассчитанных значениях.

Реализация этих и многих других функций систем автоматизации значительно видоизменилась в результате бурного внедрения в промышленности микропроцессоров, персональных компьютеров и прикладного программного обеспечения.

Удешевление микропроцессорных устройств и расширение их функций сделало возможным построение так называемых «интеллектуальных датчиков», которые вычисляют значения косвенных параметров на основе прямых измерений по запрограммированным формулам, показывают значения измеряемых параметров на жидкокристаллических индикаторах, преобразуют измеряемый параметр в стандартный унифицированный сигнал для его передачи по каналам связи. Появились новые средства измерительной техники, такие как ультразвуковые, электромагнитные и кориолисовы расходомеры, радарные и ультразвуковые уровнемеры и т.п.

Существенным этапом в развитии систем автоматизации стало появление программируемых логических контроллеров. И если назначение первых ПЛК сводилось, в основ ном, к реализации функций «включить-отключить» на основе логических выражений, то в дальнейшем в ПЛК появились модули автоматического регулирования, реализующие стандартные законы регулирования. С учётом расширяющихся возможностей программирования современных ПЛК и так называемых «управляющих процессов» стало возможным создание сложных многоконтурных систем управления, теория которых была известна давно, но техническая реализация не вызывала энтузиазма из-за отсутствия технических средств.

Естественно, при появлении новой техники возникли трудности с её освоением. Нужно было суметь «запрограммировать» ПЛК в соответствии с разработанными алгоритмами. Решение было найдено в разработке специальных методов программирования, понятных широкой массе специалистов по автоматизации.

При всём многообразии новых технических средств автоматизации оператор насосной станции наиболее тесно взаимодействует с современными пультами (панелями, станциями) управления, на мониторах которых отображаются мнемосхемы технологических процессов с указанием значений наиболее важных технологических параметров и сопровождением системами сигнализации, блокировок и защит.



1. Описание технологического процесса обезжелезивания и деманганации воды

Вода с высоким содержанием железа обладает отталкивающим вкусом, а использование такой воды в производственном процессе приводит к появлению ржавых пятен и разводов на готовой продукции. При производстве бумаги, в текстильной промышленности, в прачечных использование воды, содержащей железо и марганец, недопустимо. Ионы железа и марганца загрязняют ионообменные смолы, поэтому при проведении большинства ионообменных процессов первой стадией обработки воды является их удаление.

Очистка воды от соединений железа является в ряде случаев довольно сложной задачей, которая может быть решена только комплексно. Это обстоятельство в первую очередь связано с многообразием форм существования железа в природных водах. Чтобы определить наиболее действенный и экономичный для конкретной воды метод обезжелезивания, нужно произвести пробное удаление железа.

В соответствии с требованиями СНиП метод обезжелезивания воды, расчетные параметры и дозы реагентов следует принимать на основе результатов технологических изысканий, выполненных непосредственно у источника водоснабжения.

1.1 Химизм процессов в воде с участием железа

В воде поверхностных источников железо находится обычно в форме органоминеральных коллоидных комплексов, в частности в виде гуминовокислого железа, и тонкодисперсной взвеси гидроксида железа. В речной воде, загрязненной кислотными стоками, встречается сульфат двухвалентного железа FeSO₄. Из-за наличия в речной воде растворенного кислорода, двухвалентное железо Fe₂+ окисляется в трехвалентное Fe₃+. При появлении в воде сероводорода H2S образуется тонкодисперсная взвесь сульфида железа FeS.

Подземные источники воды в подавляющем большинстве характеризуются наличием растворенного бикарбоната двухвалентного железа Fe(HCO₃)₂, который вполне устойчив при отсутствии окислителей и при рН>7,5. При высокой карбонатной жесткости, рН>10 и содержании Fe₂+>10 мг/л бикарбонат может гидролизоваться с образованием углекислоты:

Fe(HCO₃)₂+2H₂O= Fe(OH)₂ + 2 H₂CO₃. (1.1)

Российские санитарные нормы ограничивают общее содержание железа в воде для хозяйственно-питьевых нужд до 0,3 мг/л. В некоторых странах допустимое содержание составляет 0,2 мг/л. Фактически концентрация железа в подземных грунтовых водах находится в пределах от 0,5 до 50 мг/л. В центральном российском регионе, включая Подмосковье, эта величина изменяется в диапазоне 0,3 - 10 мг/л, наиболее часто 3-5 мг/л, в зависимости от географического местоположения и глубины источника. Начиная с концентрации 1,0-1,5 мг/л вода имеет неприятный металлический привкус. При уровнях выше 0,3 мг/л железо оставляет пятна на белье и санитарно-технических изделиях. При концентрации железа ниже 0,3 мг/л запах обычно не ощущается, хотя может появляться мутность и цветность воды.

Анаэробная (не имеющая контакта с воздухом) прозрачная грунтовая вода может содержать соединения двухвалентного железа (Fe₂+) до нескольких миллиграммов на литр без ее помутнения при прямой подаче из источника. Однако при контакте с воздухом, а точнее с кислородом воздуха, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного коллоидного состояния, что придает воде характерный красно-коричневый оттенок:



4 Fe(HCO₃)₂ + O₂ + 2 H₂O = 4 Fe(OH)₃v + 8 CO₂. (1.2)

Гидроксид трехвалентного железа Fe(OH)₃ коагулирует и переходит в оксид железа Fe₂O₃. 3 H₂O, выпадающий в виде бурых хлопьев.

Пользователь зачастую наблюдает следующую картину: в первый момент вода, полученная из скважины, кажется абсолютно чистой и прозрачной, но в течение нескольких минут она мутнеет (реакция 2) с появлением специфического оттенка. При отстаивании воды муть оседает, образуя бурый рыхлый осадок (оксид трехвалентного железа).

Железо способствует также развитию «железобактерий», которые получают энергию при окислении Fe₂+ до Fe₃+, в результате чего в трубопроводах и на оборудовании образуется скопление слизи. В процессе окисления на 1 мг Fe₂+ затрачивается 0,143 мг кислорода (О₂), увеличивается содержание свободной углекислоты на 1,6 мг/л, а щелочность снижается на 0,036 мг-экв/л

Присутствие в воде солей меди, а также контакт воды с ранее выпавшим осадком Fe(OH)₃, каталитически ускоряет процесс окисления Fe₂+ до Fe₃+.

В зависимости от условий (значение рН, температура, наличие в воде окислителей или восстановителей, их концентрация) окисление может предшествовать гидролизу, идти параллельно с ним или окислению может подвергаться продукт гидролиза двухвалентного железа Fe(OH)₂

1.2 Методы обезжелезивания воды

Для обезжелезивания поверхностных вод используются только реагентные методы с последующей фильтрацией. Обезжелезивание подземных вод осуществляют фильтрованием в сочетании с одним из способов предварительной обработки воды:

- упрощенная аэрация;

- аэрация на специальных устройствах;

- коагуляция и осветление;

- введение реагентов-окислителей, таких как хлор, гипохлорит натрия или кальция, озон, перманганат калия.

При мотивированном обосновании применяют и другие методы, например катионирование, диализ, флотация, электрокоагуляция и др.

Для удаления из воды железа, содержащегося в виде коллоида гидроксида железа Fe(OH)₃ или в виде коллоидальных органических соединений, например гуматов железа, используют коагулирование сульфатом алюминия или железным купоросом с добавлением хлора или гипохлорита натрия.

В качестве наполнителей для фильтров в основном используют песок, антрацит, сульфоуголь, керамзит, пиролюзит, а также фильтрующие материалы, обработанные катализатором, ускоряющим процесс окисления двухвалентного железа в трехвалентное. В последнее время все большее распространение получают наполнители с каталитическими свойствами: Manganese Greensand (MGS), Birm, МТМ и МЖФ.

При наличии в воде коллоидного двухвалентного железа требуется проведение пробного обезжелезивания. Если отсутствует возможность осуществить его на первой стадии проектирования, выбирают один из вышеперечисленных методов на основании проведенного пробного обезжелезивания в лаборатории или опыта работы аналогичных установок.

1.3 Деманганация воды

Марганец присутствует в земной коре в большом количестве и обычно он встречается вместе с железом. Содержание растворимого марганца в подземных и поверхностных водах, бедных кислородом, достигает нескольких мг/л. Российские санитарные нормы ограничивают уровень предельно-допустимого содержания марганца в воде хозяйственно-питьевого назначения до 0,1 мг/л, а в некоторых странах Европы эта величина ниже 0,05 мг/л. Превышение содержания марганца ухудшает органолептические свойства воды. При уровне выше 0,1 мг/л марганец приводит к появлению пятен на санитарно-технических изделиях, а также нежелательного привкуса воды. На трубопроводах образуется пленка, которая отслаивается в виде черного осадка.

В подземных водах марганец находится в виде хорошо растворимых солей в двухвалентном состоянии. Для удаления марганца из воды его необходимо перевести в нерастворимое состояние окислением Mn₂+ в Mn₃+ и Mn₄+. Окисленные формы марганца гидролизуются с образованием практически нерастворимых гидроксидов Mn(OH)₃ и Mn(OH)₄. Последний при осаждении на зернистой загрузке фильтра проявляет каталитические свойства, т.е. ускоряет процесс окисления двухвалентного марганца растворенным кислородом.

Для эффективного окисления марганца необходимо, чтобы величина рН очищаемой воды была на уровне 8,0-8,5. В качестве окислителя применяют перманганат калия, хлор или его производные (гипохлорит натрия), озон, кислород воздуха.

Глубокая аэрация с последующим фильтрованием

На первом этапе очистки из воды под вакуумом извлекают свободную углекислоту, что способствует повышению величины рН до 8-8,5. Для этой цели используют вакуумно-эжекционный аппарат, при этом в его эжекционной части происходит диспергирование воды и ее насыщение кислородом воздуха. Далее вода направляется на фильтрацию через зернистую загрузку, например кварцевый песок.

Данный метод очистки применим при окисляемости исходной воды не выше 9,5 мг О2/л. При этом в воде обязательно присутствие двухвалентного железа, при окислении которого образуется гидроксид железа, адсорбирующий Mn2+ и каталитически его окисляющий. Соотношение концентраций [Fe₂+] / [Mn₂+] не должно быть менее 7. Если в исходной воде это соотношение не выполняется, то в воду дополнительно дозируют сульфат железа (железный купорос).

Деманганация перманганатом калия

Этот метод применим как для поверхностных, так и для подземных вод. При введении в воду перманганата калия растворенный марганец окисляется с образованием малорастворимого оксида марганца согласно следующему уравнению:

3Mn₂+2KMnO₄ + 2 H₂O = 5 MnO₂v + 4 H+. (1.3)

Осажденный оксид марганца в виде хлопьев имеет высокую развитую удельную поверхность примерно 300 м2 на 1 г осадка, что определяет его высокие сорбционные свойства.

В соответствии с уравнением для удаления 1 мг Mn₂+ требуется 1,88 мг перманганата калия. Как уже отмечалось выше, перманганат обеспечивает удаление из воды не только марганца, но и железа в различных формах. Также удаляются запахи и улучшаются вкусовые качества воды за счет сорбционных свойств.

При очистке от марганца подземных вод параллельно с перманганатом вводят активированную кремневую кислоту из расчета 3-4 мг/л или флокулянты. Это позволяет укрупнить хлопья оксида марганца.

Каталитическое окисление марганца

Как и в процессах очистки от железа, так и при деманганации предварительное осаждение оксидов марганца на поверхности зерен фильтрующей загрузки оказывает каталитическое влияние на процесс окисления двухвалентного марганца растворенным кислородом. В процессе фильтрования предварительно аэрированной и при необходимости подщелоченной воды на зернах песчаной загрузки образуется слой осадка гидроксида марганца Mn (OH)₄. Ионы растворенного Mn₂+ адсорбируются поверхностью гидроксида марганца и гидролизуются, образуя оксид трехвалентного марганца Mn₂O₃. Последний окисляется растворенным кислородом вновь до Mn (OH)₄, который опять участвует в процессе каталитического окисления. Уравнения реакций этих процессов можно представить следующим образом:

Mn(OH)₄ + Mn(OH)₂ = Mn₂O₃ + 3 H₂O, (1.4)

2 Mn₂O₃ + 2 O₂ + 8 H₂O = Mn(OH)₄ v. (1.5)

Практическая реализация процессов (1.4) и (1.5) возможна при использовании каталитических наполнителей. В этом же разделе приведены требования к исходной воде и рабочие параметры процессов. Можно отметить, что величина рН очищаемой воды может быть значительно меньше, чем в традиционных процессах деманганации (8,0-8,5).

Фильтрование через модифицированную загрузку

В пособии указывается, что для повышения ресурса работы фильтрующей загрузки за счет закрепления пленки катализатора из гидроксидов железа и оксида марганца на поверхности зерен, а также для снижения расхода перманганата, предлагается следующий метод.

Перед началом фильтрования через фильтрующую загрузку последовательно пропускают снизу вверх раствор железного купороса FeSO₄ и перманганат калия, а затем ее обрабатывают тринатрийфосфатом Na₃PO₄ или сульфитом натрия Na₂SO₃.

Скорость фильтрования исходной воды, подаваемой сверху вниз, составляет 8-10 м/ч.

Введение реагентов-окислителей

Скорость процесса окисления двухвалентного марганца реагентами-окислителями из ряда хлор, диоксид хлора ClO₂, гипохлорит натрия, озон в значительной мере зависит от величины рН исходной воды.

При введении хлора или гипохлорита натрия эффект окисления достигается в достаточно полной мере при значениях рН не менее 8,0-8,5 и времени контакта окислителя и воды 60-90 минут. В большинстве случаев обрабатываемая вода должна быть подщелочена. Требуемая доза реагента для окисления Mn₂+ до Mn(OH)₄ по стехиометрии составляет 1,3 мг на каждый мг растворенного двухвалентного марганца. Фактические дозы значительно выше.

Обработка воды озоном или диоксидом хлора значительно эффективнее. Процесс окисления марганца завершается в течение 10-15 минут при величине рН воды 6,5-7,0. Доза озона по стехиометрии составляет 1,45 мг, а диоксида хлора 1,35 мг на 1 мг двухвалентного марганца. Однако при озонировании воды озон подвержен каталитическому разложению оксидами марганца, а поэтому доза должна быть увеличена [5]. При концентрации Mn₂+ 0,4 мг/л расход озона составляет 2 мг/мг [Mn₂+], а при 0,8 мг/л - 4 мг/мг [Mn₂+].

В моем случае будет использоваться очистка вод в пласте (геотехнологический метод). Технико-экономические сравнения вариантов очистки подземных вод показывают преимущество подземного способа обезжелезивания и деманганации: себестоимость 1 м³ воды в 2,5 раза меньше при очистке подземных вод в пласте по сравнению с традиционными способами на поверхностных установках.

Технология обезжелезивания и деманганации подземных вод в водоносном пласте - как и классическая наземная - заключается в поэтапном окислении растворенных в воде двухвалентных железа и марганца и переводе их в труднорастворимые формы трехвалентного железа и четырехвалентного марганца с их последующим удалением путем фильтрации.

Подземная технология очистки воды - точно так же как и традиционная технология - носит комплексный характер и состоит из целого ряда физико-химических, катионообменных и микробиологических процессов, которые могут влиять друг на друга.

При подземном обезжелезивании на участке около эксплуатационных скважин создаются стабильные зоны (геохимические барьеры), где происходит окисление растворенных в подземных водах железа и марганца и отложение их нерастворимых форм в пласте.

При аэрировании воды воздухом происходит дегазация - удаление избыточных содержаний СО₂ и Н₂S и насыщение ее растворенным О₂. В результате образования гидроокисла железа количество СО₂ будет возрастать, т.к. при окислении 1 мг Fе²⁺ выделяется 1.6 мг СО₂. На окисление 1 мг Fe²⁺ расходуется 0,143 мг О₂.

В природных условиях величины рН и Eh являются недостаточно высокими, поэтому для окисления железа и марганца требуется жизнедеятельность специальных бактерий. Эти железо- и марганцеокисляющие бактерии обладают способностью использовать окисление железа и марганца в качестве источника энергии для обмена веществ. Бактерии, которые в качестве источника энергии могут использовать как железо, так и марганец, должны окислить в 6 раз больше марганца, чем железа для получения того же количества энергии. Чем ярче у бактерий выражена склонность к окислению марганца, тем больше их потребность в органическом углероде (вместо двуокиси углерода), являющимся источником углерода, необходимого для роста и размножения железобактерий.

Биохимические окислительно-восстановительные реакции весьма сходны с химическими, но имеют и отличительные черты. Катализируемые ферментами, вырабатываемыми живой клеткой, они способны протекать в отсутствие высоких температур, в то время как для осуществления ряда химических реакций требуются высокие температуры.

Теоретически окисление Mn в воде кислородом может происходить при рН в пределах 9 - 9,5. Фактически окисление и осаждение марганца при размножении микроорганизмов в подземных водах происходит уже при рН равном 5,8-6,5.

Железобактерии могут развиваться в среде, не содержащей органических веществ. На 1г синтезированного ими клеточного вещества они окисляют 279 г двухвалентного железа с образованием 534 г Fe(OH)₃. Соотношение между окисленным железом и ассимилированным из углекислоты углеродом (500:1) показывает, какое большое количество гидроокиси железа образуется при автотрофном росте. Гидроокись железа после отмирания бактерий служит материалом для заполнения порового пространства. Готовое органическое вещество отмирающих железобактерий используется для синтеза организма гетеротрофными маганецокисляющими бактериями.

Наиболее изученным представителем нитчатых бактерий, накапливающих окислы марганца, является Leptothrix (Sphaerolutilus) discofora, но окисление марганца осуществляют также L. Lopholea, L. Pseudoochracea, L. cholodnii, L. sideropus, Crenothrix manganifera, Siderocapsa, Naumanniella. Марганецокисляющие микроорганизмы являются типичными гетеротрофами.

Продукты химических реакций остаются в водоносном горизонте. Теоретические расчеты показывают, что при сроке эксплуатации 100 лет произойдет уменьшение гидравлически эффективного потенциала пор с 0,1 до максимальной величины 9,0%. Т.е. сроки возможной эксплуатации водоносного пласта при технологии in situ намного превосходят сроки эксплуатации самих скважин.

Для обезжелезивания и деманганации подземных вод в водоносном горизонте применяются односкважинные, дуплетные (двухскважинные) установки циклического действия, а также многоскважинные установки циклического или постоянного действия.

Процесс обогащения подземных вод кислородом воздуха (или закачки-налива аэрированной воды) может осуществляться как непосредственно через эксплуатационные скважины на односкважинных и дуплетных установках, так и через специальные инжекционные (наливные или спутниковые) скважины, расположенные по окружности вокруг каждой эксплуатационной скважины, на многоскважинных установках.



2. Характеристики автоматизированной системы управления

В объект управления входят:

- четыре высоковольтных комплектных распределительных устройств (КРУ) с контроллерами защиты и управления;

- преобразователь частоты;

- три напорные задвижки с электроприводами;

- станция группового управления (СГУ);

- три шкафа местного управления задвижками (ШМУЗ);

- посты ручного управления двигателями.

Целями создания и внедрения СГУ являются:

- Поддержание оптимального давления и расхода в напорных трубопроводах.

- Автоматизация управления оборудованием насосной станции II подъема.

- Своевременное реагирование на аварийные ситуации.

- Исключение влияния человеческого фактора на процедуру сбора и обработки информации.

СГУ должна включать следующие организационно-технические подсистемы, обеспечивающие выполнение различных задач:

- подсистема контроля и управления КРУ 10кВ через контроллер защиты и управления;

- подсистема управления частотно-регулируемым приводом;

- подсистема управления напорными задвижками;

- подсистема приема и передачи информации в сети КРУ 10кВ.



3. Описание технологического оборудования

3.1 Структура системы автоматического управления

Структура системы логически разделена на три уровня:

- нижний уровень - уровень датчиков и исполнительных механизмов;

- средний уровень - уровень программируемых логических контроллеров (ПЛК);

- верхний уровень - уровень программно-технических средств оперативного контроля и управления ТП.

Структура системы автоматического управления представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Структура системы автоматического управления

3.2 Комплекс технических средств нижнего уровня

3.2.1 Выбор средства измерения давления

В качестве средств измерения давления выбираем датчики давления Cerabar T PMC 131. Датчик Cerabar T PMC131-А1В01А1Т предназначен для измерения абсолютного и избыточного давлений: газов, пара, жидкостей.

Давление жидкости, воздействующее на диафрагму датчика, изменяет емкость его электронной схемы, которая формирует выходной токовый сигнал 4…20 мА, пропорциональный измеряемому давлению.

Технические данные датчика давления приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Технические характеристики датчика давления

Наименование параметра	Значение параметра
Вход	Измеряемый параметр	Абсолютное и избыточное давление
	Диапазон измерений	0-16бар (0-1,6МПа)
Выход	Выходной сигнал	4…20 мА
Точность	Нормальные условия	по DIN IEC 770
	Погрешность измерений	0,5%
	Стабильность	0,15% в год
Рабочие условия эксплуатации	Температура окр. воздуха	-20…+85?C
	Климатический класс	4К4Н по DIN EN 60721-3
	Степень защиты	С разъемом IP65, с кабелем 5м IP68
	Электромагнитная совместимость	Собственные помехи по EN50081-1 Устойчивость к помехам поEN50082
Измеряемая среда	Предельная температура	макс 100?C
	Предельное давление	40бар (4МПа)
Напряжение питания	Напряжение питания, Us	11…30В постоянного тока
	Пульсация	5%

Реле давления

Реле давления предназначено для непосредственного пуска насосов с целью поддержания заданной величины давления. Выбираем реле XMAV12L2135 - датчик давления 12 бар 2 порога.

Технические данные реле давления приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Технические данные реле давления

Наименование параметра	Значение параметра
Конструктивные параметры	Тип датчика давления	Электромеханич. датчик давления
	Тип шкалы	Фикс. дифференциальный
	Тип контактов	1 переключающ. мгновенное действие
	Рабочий орган	перемещаемая под давлением диафрагма
	Уставка	Внешняя
	Способ работы	Регулир. между двумя пределами
Рабочие условия эксплуатации	Контролируемая жидкость	Морская вода (0...55 °C) Пресная вода (0...55 °C)
	Номинальный ток [In]	B300, AC-15 Ue = 240 V B300, AC-15 Ue = 120 V R300, DC-13 Ue = 250 V
	Степень защиты	IP54 соответствует EN/IEC 60529
	Предельное давление	27 бар (2,7MПа)
	Давление разрушения	30 бар (3 МПа)
	Рабочая частота	10 цикл/мин
	Температура окр. сред.	-25...55 °C
Диапазон уставок	при падении давления	0,3...10,3 бар
	при увелич. давления	1,3...12 бар
Прочность	Электрическая	1000000 циклов, 50/60 Гц, AC-15, 240 В /3 A, Ith = 10 A
	Механическая	1000000 циклов

3.2.2 Выбор электроприводов вращения для шаровых вентилей и клапанов

Электроприводы MODACT MOKED предназначены для перестановки органов управления с помощью возвратного вращательного движения с углом поворота выходной части до 90^о включая случаи, когда требуется герметичное запирание в конечных положениях. Типичным примером использования является управление шаровыми вентилями и клапанами в режиме дистанционного управления и автоматического регулирования. Устанавливаются непосредственно на органе управления.

Технические данные электропривода приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Технические данные электропривода

Наименование параметра	Значение параметра
Рабочие условия эксплуатации электропривода	Напряжение питания	Uп = 1х220В, f1=50Гц, Uп = 3х220/380В, f1=50Гц
	Рабочее положение	Может работать в любом рабочем положении
	Самоторможение	Обеспечивается с помощью механического или электромагнитного тормоза электродвигателей.
	Степень защиты	IP 55 или IP 67 по CSN EN 60592
	Рабочий ход	90?
Рабочие условия эксплуатации электронного оснащения	Система DMS2.ED	содержит микрокомпьютер, детектор положения, сигнальные светодиоды и 4 кнопки для установки и контроля электропривода, разъем для подключения детектора момента, плата питания и интерфейса RS 232.
	Аналоговый модуль	Выходной сигнал 0/4…20 мА
	Снятие положения	Бесконтактное магнитное
	Снятие момента	Бесконтактное магнитное
	Питание	Uп=230В, f=50Гц, Pн=4Вт

Исходя из данных таблицы 3.1, 3.2 и 3.3 составляем перечень дискретных и аналоговых сигналов для системы группового управления.

Перечень дискретных и аналоговых сигналов приведен в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Перечень дискретных и аналоговых сигналов

Тип устройства	Сигналы	Тип сигнала для СГУ	Количество
Задвижка	1Открыть 2Закрыть 3Открыта 4Закрыта 5Местное 6 Дистанционное 7 Авария	Выход Выход Вход Вход Вход Вход Вход	Сухой контакт 230В Сухой контакт 230В Сухой контакт 230В Сухой контакт 230В Сухой контакт 230В Сухой контакт 230В Сухой контакт 230В	3 3 3 3 3 3 3
СГУ	Включить насос Выключить насос Насос включен Насос выключен Ручной Автоматический Смешанный	Вход Вход Выход Выход Вход Вход Вход	24 В 24 В Индикация Индикация 24 В 24 В 24 В	3 3 3 3 3 3 3
Датчики давления	Давления на напоре	Вход	Аналоговый 4-20 мА	2
Реле давления	Напор насоса Всас насоса	Вход Вход	24 В 24 В	3 3

Согласно таблице дискретных и аналоговых сигналов проведем выбор микроконтроллера, имеющего достаточное количество дискретных и аналоговых входов и выходов.

3.3 Комплекс технических средств среднего уровня

3.3.1 Средство управления и сбора данных

В настоящее время микропроцессорная техника внедряется во все сферы деятельности человека. И современную автоматизацию трудно представить без участия в ней микропроцессорных средств. Взять хотя бы компьютер, знакомый всем со школьной скамьи. А ведь этот самый компьютер - одно из важнейших программно-технических средств автоматизации.

Есть еще одно микропроцессорное устройство, хорошо известное в кругу специалистов по автоматизации, - контроллер. Как и компьютер, контроллер - обязательный компонент любой современной системы управления.

Контроллер получил свое название от слова control - управление. Уже из названия становится понятным, что основное на­значение этого устройства - управление. Первая основная область применения контроллеров (80-е годы прошлого столетия) - дискретные системы управления, в основу функционирования которых положена логика. Так появилось название этих устройств, сохранившееся до настоящего времени - программируемые логические контроллеры (ПЛК).

Следует отметить, что современные ПЛК далеко ушли в своем развитии от ранних представителей этого класса технических средств автоматизации. За последние 8-10 лет существенно рас­ширились их функции и вычислительные возможности. Сегодня ПЛК способны решать задачи по управлению сложными объектами как в непрерывных, так и в дискретных производствах.

В иерархии уровней АСУТП (автоматизированной системы управления технологическими процессами) ПЛК занимают определенный уровень - первый или нижний.

На их основе строятся системы автоматического управления (САУ) отдельными аппаратами, установками или блоками технологического процесса. Функционирование САУ происходит без постоянного присутствия обслуживающего персонала в автоматическом режиме по алгоритмам и программам, созданным на стадии проектирования системы управления (прикладное ПО - программное обеспечение).

Объект управления в этой иерархии представлен измеритель­ными преобразователями (ИП) различных технологических па­раметров - давления, уровня, температуры, расхода и т.д., а также исполнительными устройствами (ИУ) - регулирующими клапанами, кранами, задвижками. С помощью этих технических средств САУ осуществляют сбор данных, характеризующих со­стояние объекта, и реализуют управляющие воздействия на объект в целях обеспечения заданных (экономически целесообразных) режимов его функционирования.

Уровень оперативно-производственной службы (ОПС) - в дальнейшем изложении материала второй или верхний уровень АСУТП - реализует оперативное и режимное управление технологическим процессом. Основные составляющие этого уровня - оперативный персонал (операторы, диспетчеры, специалисты) и программно-технические средства. К их числу, прежде всего, относятся компьютеры, на базе которых создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов и специалистов, и серверы баз данных, в основу функционирования которых положено прикладное ПО. Присутствие оперативного персонала на этом уровне и определило само название системы - АСУТП (автоматизированная система управления технологическим процессом). Понятие «автоматизированная» по определению предполагает участие человека в управлении. Таким образом, АСУТП - это человеко-машинная система.

В небольших системах управления локальные ПЛК могут напрямую по сети взаимодействовать с сервером и АРМ (без интерфейсного контроллера). Но имеется достаточно большое число проектов АСУТП, предусматривающих в своей структуре интерфейсные контроллеры (концентраторы).

В зависимости от задач, решаемых системой управления, контроллеры способны выполнять широкий набор функций. К основным (базовым) функциям локальных контроллеров относятся:

- сбор и первичная обработка информации о параметрах технологического процесса и состоянии оборудования;

- хранение технологической и вспомогательной информации;

- автоматическая обработка технологической информации;

- формирование управляющих воздействий - дискретное управление и регулирование;

- исполнение команд с пункта управления;

- самодиагностика контроллера;

- обмен информацией с верхним уровнем управления.

-

Функция «Сбор и первичная обработка информации» подразумевает:

- циклический опрос устройств связи с объектом (УСО);

- аналогово-цифровое преобразование сигналов;

- первичную обработку сигналов для компенсации воздействия помех (фильтрация сигналов);

- определение достоверности информации по отклонениям сигналов датчиков за пределы измерительного диапазона.

Функция «Хранение технологической и вспомогательной ин­формации» обеспечивает запись и хранение в памяти контроллера технологических данных и данных, обеспечивающих заданный режим работы технологического оборудования. Данная функция также обеспечивает сохранность информации при отказах технических средств или питания.

Реализация функции «Автоматическая обработка технологи­ческой информации, формирование управляющих воздействий» предполагает дискретное управление в соответствии с алгоритмами управления, разработанными на этапе проектирования сис­темы, и регулирование (стабилизация технологических параметров на заданном уровне) по стандартным (П, ПИ, ПИД) или специализированным алгоритмам.

Функция «Исполнение команд с пункта управления» обеспечивает возможность вмешательства оперативного персонала в автоматическое ведение технологического процесса. При этом оперативный персонал может осуществлять пуск, отключение, переключение технологического оборудования, а также выполнять режимное управление процессом - задавать уставки регулирования, уровни срабатывания блокировок, сигнализаций, алгоритмов автоматического ввода резервного оборудования.

Функция «Самодиагностика контроллера» включает в себя проверку работоспособности как технических, так и программных средств контроллера с оповещением оперативного персонала.

Функция «Обмен информацией» является одной из важнейших функций контроллера. Эта функция осуществляется в автоматическом режиме и реализуется специализированными средствами контроллера с использованием протоколов приема/передачи данных.

3.3.2 Выбор контроллера

Для реализации среднего уровня выбираем контролер Siemens SIMATIC S7-1200. Программно-логический контроллер Siemens Simatic S7-1200 - серия универсальных промышленных микроконтроллеров Сименс для задач автоматизации производства малого уровня. Контроллеры Siemens Simatic S7-1200 построены по модульному принципу и могут работать в реальном масштабе времени, применяются для построения простых узлов местной автоматики или узлов комплексных систем автоматического управления. Контроллеры Siemens Simatic S7-1200 поддерживают обмен данными через сети Industrial Ethernet/PROFINET, а также PtP (Point-to-Point) соединения. Программируемые микроконтроллеры Siemens Simatic S7-1200 имеют компактные пластиковые корпуса со степенью защиты IP20, могут монтироваться на стандартную 35 мм профильную шину DIN или на монтажную плату и работают в диапазоне температур от 0 до +50 °C. Они способны обслуживать от 10 до 284 дискретных и от 2 до 51 аналогового канала ввода-вывода.

Технические данные контроллера приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Технические данные микроконтроллера Siemens Simatic S7-1200

Наименование
Центральный процессор	CPU 1211C	CPU 1212C	CPU 1214C
Встроенная загружаемая память:	1 МБ	1 МБ	2 МБ
Расширение памяти	Memory Card емкостью до 24 Мбайт
Встроенная рабочая память	25 КБ	25 КБ	50 КБ
Энергонезависимая память для сохранения данных	2 КБ
Адресное пространство ввода-вывода	1024 байт на ввод/ 1024 байт на вывод
ПИД регулирование	Поддерживается, до 16 контуров
Скоростные счетчики	3х100 кГц	3х100 кГц + 1х30 кГц	3х100 кГц + 3х30 кГц
Импульсные выходы	2х100 кГц, только в моделях с транзисторными выходами
Интерфейс Ethernet	1xRJ45, 10/100 Мбит/с
Встроенные входы и выходы	2AI + 6DI + 4DO	2AI + 8DI+ 6DO	2AI + 14DI+ 10DO
Количество каналов системы локального ввода-вывода:
каналов ввода/вывода дискретных сигналов, не более	8 / 6	42 / 40	144 / 140
каналов ввода/вывода аналоговых сигналов, не более	2 / 1	10 / 5	34 / 17

Выбираем центральный процессор CPU 1214C который имеет питание =24В, 14 DI =24В, 10 DO =24В/0.5А, 2 AI 0…10 B/10 бит.

Согласно таблице 4 требуется 2 аналоговых входа, 36 дискретных входов и 12 дискретных выходов. Для получения нужного количества дискретных входов и выходов выбираем дополнительные модули.

Список дополнительных модулей приведен в таблице 3.6.

Таблица 3.6- Список дополнительных модулей

Наименование	Параметры
Модули ввода-вывода дискретных сигналов	SM 1221	16 DI =24 B
	SM 1223	8 DI =24 B + 8 DO =24 B/ 0.5 A
Коммуникационные модули	CM 1241	RS 485, PtP соединение, протоколы ASCII, USS, Modbus RTU
Коммутатор	CSM 1277	4-канальный коммутатор Industrial Ethernet, 4 x RJ45, 10/100 Мбит/с
Блок питания	PM 1207	Вход: ~115/ 230 В, выход: =24 В/ 2.5 А

Для программирования всех моделей контроллеров Siemens S7-1200 используется пакет программ STEP 7 Basic. Программирование осуществляется на языке LD или FBD. Также есть функция ШИМ.



4. Расчет и выбор элементов силовой части электропривода

4.1 Расчет и выбор насосных агрегатов

В отличие от насосных станций первого подъёма, подача станций второго подъёма неравномерна в течение суток. На рисунке 4.1 представлен примерный график суточного водопотребления.

Рисунок 4.1- Примерный график суточного водопотребления

Согласно рисунку 2 максимальное водопотребление приходится на утренние (с 8 до 10) и вечерние (с 20 до 22) часы. Насосы выбираются с таким расчётом, чтобы обеспечить максимальную подачу (расход) в часы пик.

По условиям проекта на станции II подъема предусмотрена установка 3х насосных агрегатов, каждый из которых должен обеспечивать максимальный расход воды в часы пик составляющий Q_H=1000 (м³/ч), максимальный напор Н_Н=80 м, номинальное КПД з_Н =70%.

Мощность насоса в кВт в рабочей точке определяется по формуле:

, кВт, (4.1)

где - плотность перекачиваемой среды в кг/м^3, плотность воды составляет 1000 кг/м³.

Тогда:

кВт.

Насосный агрегат выбираем из условия

Из каталога выбираем насосный агрегат типа 1Д1250 - Д125б.

Насосы центробежные двустороннего входа типа Д и агрегаты электронасосные на их основе, предназначены для перекачивания воды и других жидкостей, имеющих сходные с водой свойства по вязкости до 36х10^-6 м²/с (36сСт) и химической активности, температурой от 274 до 358К (от 1 до 85°С), не содержащих твердых включений по массе более 0,05%, размеру более 0,2 мм и микротвердостью более 6,5 ГПа (650кгс/мм²).Данные насосные агрегаты оснащены трехфазными асинхронными электродвигателями, напряжением питания 10 кВ, мощностью 400 кВт.

Характеристики насоса представлены в таблице 4.1. Характеристики асинхронного двигателя насосного агрегата представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.1- Характеристики насоса

Параметр	Значение	Единица измерения
Подача, Qн	1030	м3/ч
Напор, Нн	87	м
Максимальная потребляемая мощность насоса, Pмах	360	кВт
Частота вращения nн	1450	об/мин
КПД,зн	0,7	-



Таблица 4.2 - Характеристики асинхронного двигателя насосного агрегата

Параметр	Значение	Единица измерения
Напряжение питания, Uн	6000	В
Номинальный ток, Iн	47	А
Номинальная мощность, Pн	400	кВт
Частота вращения nн	1450	об/мин
КПД,зн	0,943	-
Коэффициент мощности cosц	0,87	-
Mmax/Mном	2,3	-
Мs/Mном	1

Согласно параметрам двигателя выбираем частотный преобразователь.

4.2 Разработка структурной схемы автоматического управления насосными агрегатами

Основным элементом водопроводного узла, обеспечивающим подачу воды в промышленные и жилые районы городов, является подсистема подкачки - группа центробежных насосов, приводимых в движение асинхронными трехфазными двигателями. Задачей подсистемы подкачки является подача в магистрали определенного объема воды с давлением, не ниже некоторого требуемого, обычно определяемого необходимым давлением в самой верхней точке магистрали. Достижение требуемых расхода и давления может осуществляться несколькими путями: изменением положения задвижек непосредственно на выходном трубопроводе насоса или изменением частоты вращения. В то время, как метод с использованием задвижек имеет низкий КПД и увеличивает износ запорного и насосного оборудования, метод с изменением частоты вращения лишен таких недостатков. Как правило, валы насосов связаны с роторами электродвигателей напрямую без понижающих или повышающих редукторов, что означает возможность изменения скоростей их вращения только лишь путем изменения скорости вращения ротора двигателя. И в этом случае применение асинхронных электродвигателей в качестве приводов дает преимущества в управлении и упрощает систему управления электронасосом.

Проанализируем подсистему подкачки и на её основе составим структурную схему автоматической системы управления. Питание электродвигателей осуществляется с локальной подстанции напряжением постоянной частоты и постоянной амплитуды, далее электродвигатели приводят в действие центробежные насосы таким образом, что те способны обеспечить максимальный требуемый напор и требуемый расход воды, причем последний является величиной переменной. В случае необходимости уменьшения подаваемых объемов воды используются задвижки на выходных водоводах. Для улучшения КПД подсистемы и уменьшения энергетических затрат следует отказаться от существующего способа поддержания гидравлических параметров и разработать систему, мощность которой будет изменяться динамически.

Анализируя существующую систему видим, что при постоянном напоре на выходе следует управлять лишь расходом воды, т.е. частотой вращения крыльчатки насоса и как следствие - частотой вращения ротора привода насоса. Составим структурную схему системы автоматического управления на основе сделанных выводов:

Рисунок 4.2- Схема структурная автоматического управления насосными агрегатами



Система в целом состоит из управляющего устройства(УУ), получающего уставку U и влияющего на скорость ротора асинхронного двигателя(АД) и как следствие - на крыльчатку центробежного насоса(ЦН). Объем воды, перекачанный насосом, проходит некоторый промежуток по магистрали(М), после чего его величина снимается датчиком и в качестве обратной связи поступает на элемент сравнения, формируя сигнал рассогласования. Также следует учесть момент сопротивления ротора двигателя, который будет возмущающим воздействием в системе управления. Кроме того, для предотвращения аварийной ситуации целесообразно получать сведения о скорости вращения ротора двигателя, точнее - о его заклинивании.

В качестве выходной величины системы принят расход воды. Выберем входной параметр, или иначе - параметр, который будет отвечать за изменение скорости вращения ротора двигателя.

Как известно, скорость вращения ротора асинхронного двигателя зависит от частоты питающего напряжения:

об/мин, (4.2)

где: f1 - частота питающего напряжения,

р - число полюсов,

s - скольжение.

Исходя из этого выражения, очевидно, что осуществлять управление скоростью ротора можно путем изменения частоты напряжения питания. Такое управление называется частотным и в последнее время получает широкое распространение. К тому же, широко выпускаются интеллектуальные частотные преобразователи, позволяющие не только изменять частоту напряжения, но также программировать в себя определенные законы управления, что может значительно упростить реализацию системы управления. Для выбора закона управления необходимо проанализировать передаточную функцию объекта относительно частоты питающего напряжения. Для этого определим передаточные функции каждого из звеньев.

Будем искать передаточную функцию асинхронного двигателя как отношение частоты вращения ротора к частоте питающего напряжения. В [6] предлагается эту передаточную функцию разбить на две составляющих - «момент/частота» и «частота/момент» для возможности учета момента сопротивления, действующего на вал двигателя. Тогда структурная схема при управлении частотой напряжения статора будет выглядеть так:

Рисунок 4.3 - Структурная схема асинхронного электродвигателя при управлении частотой питающего напряжения

По данной структурной схеме получим передаточную функцию по управляющему воздействию:

(4.3)

гдеТм- механическая постоянная времени двигателя,

Тэ - электромагнитная постоянная времени двигателя,

- относительное напряжение статора(к номинальному),

- относительная частота напряжения статора(к номинальной).

Данная передаточная функция справедлива для случая, когда потокосцепление статора есть величина постоянная, т.е. одновременно с изменением частоты питающего напряжения изменяется и его величина в соответствии с выражением: U1/щ1=const. Следует отметить, что в современных преобразователях частоты реализован механизм поддержания постоянного потокосцепления, поэтому передаточная функция (4.3) может быть использована для описания АД.

Определим передаточную функцию центробежного насоса и магистрали. Как правило, на практике насос и магистраль рассматривают как один объект, и с определенной долей точности аппроксимируют общую передаточную функцию в виде инерционного звена второго порядка с запаздыванием. Как правило, в разветвленной гидросистеме это колебательное звено, в одиночных трубопроводах - апериодическое. Для общего случая положим передаточную функцию равной:

. (4.4)

Т.к. колебательные процессы слабо выражены вследствие большой инерционности объекта, можно понизить порядок передаточной функции (4.4).

Получим:

. (4.5)

Параметры передаточной функции зависят от каждого конкретного случая, поэтому их получают методами идентификации.

На основании (4.3) и (4.5) запишем общую передаточную функцию объекта:

. (4.6)

Анализируя функцию (4.6) видно, что она имеет четвертый порядок. Это означает, что регулятор должен иметь возможность отслеживать ошибку по ускорению, что не представляется возможным во встроенных в частотный преобразователь ПИД-законах управления. Кроме того, использование даже дифференциальной составляющей в трубопроводной системе может сильно ухудшить устойчивость из-за отработки кратковременных возмущений, связанных с отражением воды от стенок труб, изменением потребления на конечной точке и т.п. Таким образом, целесообразно использовать ПИ-регулятор с точки зрения обеспечения максимальной устойчивости, но в этом случае ухудшится время регулирования, но в данной системе оно не является критичным.

Передаточная функция ПИ-регулятора:

, (4.7)

Точный теоретический расчет параметров регулятора, при которых будет выполняться условие устойчивости и требования к заданным показателям качества, выполнить практически невозможно из-за специфики объекта. Тем не менее, существуют методики расчета приблизительных параметров регулятора для передаточных функций объектов до третьей степени. В случае с четвертым порядком функции (4) целесообразно поступить следующим образом: понизить порядок знаменателя, удалив слагаемое с наименьшей постоянной времени.

Допустим, что после выполнения этой процедуры передаточная функция приняла вид:



. (4.8)

Проведем расчет параметров структурной схемы САУ НА

Двигатель можно разделить на две части. Механическую и электрическую. Передаточная функция механической и электрической части имеет вид :

. (4.9)

, (4.10)

где: в - модуль жесткости линеаризованной механической характеристики асинхронного двигателя,

Т_э - эквивалентная электромагнитная постоянная времени цепей статора и ротора асинхронного двигателя,

T_м - механическая постоянная времени.

Модуль жесткости в линеаризованной механической характеристики, можно рассчитать, как:

, (4.11)

где: М_к - момент критический,

- угловая скорость асинхронного двигателя;

s_к - скольжение критическое, его значение можно определить, как:

. (4.12)

Здесь, s_н - номинальное скольжение асинхронного двигателя. Его можно определить, из следующей формулы:

, (4.13)