Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Нормативные ссылки

2. Технико-экономическое обоснование создания автоматизированной системы

2.1 Краткое описание предполагаемого технологического решения

2.2 Недостатки используемого решения

2.3 Организация работ по проектированию и разработке оптимального варианта технической части

2.3.1 Основание для проектирования

2.3.2 Содержание работ по стадии создания проекта

2.3.3 Порядок контроля и приемки системы

2.3.4 Содержание работ по стадии внедрения системы

2.3.5 Требования к документации

2.3.6 Требования безопасности

2.3.7 Противопожарные мероприятия

2.3.8 Штатное расписание

2.3.9 Калькуляция затрат на разработку

3. Изучение технологического объекта управления

3.1 Общие сведения

3.2 Требования к насосным станциям

4. Разработка концепции автоматизированной системы управления

4.1 Выбор технологического оборудования

4.1.1 Выбор программируемого логического контроллера

4.1.2 Выбор модулей ввода-вывода

4.1.2.1 Модуль ввода аналоговый (МВА8).

4.1.2.2 Модуль вывода управляющий (МВУ8)

4.1.2.3 Модуль дискретного ввода-вывода

4.2 Частотный преобразователь

4.3 Датчики давления

4.4 Датчики уровня

4.5 Преобразователь расхода

4.6 Выбор программного обеспечения

4.6.1 Среда разработки

4.6.2 Языки программирования

4.6.3 Средства разработки человеко-машинного интерфейса

4.7 Состав каналов и требования к ним

4.8 Контроль обрыва датчиков

4.9 Контроль исправности насосов

4.10 Резервирование

4.11 АРМ оператора

5. Технического задание на создание автоматизированной системы управления

5.1 Основание для проектирования

5.2 Назначение и цели создания системы

5.3 Краткие сведения об объекте автоматизации

5.4 Перечень задач автоматизации и требования к техническим характеристикам системы

5.5 Требования к системе

5.6 Требования по безопасности

5.7 Требования к подготовленности персонала АСУ

6. Исследование автоматизированной системы управления

6.1 Общие сведения

6.2 Алгоритм сбора и обработки информации

6.3 Алгоритм управления скважинами

6.4 Методы расчета оптимальных режимов работы

7. Разработка проектной документации на автоматизированную систему управления

7.1 Описание схемы автоматизации

7.2 Описание схемы регулирования

7.3 Описание схемы сигнализации

7.4 Описание схемы питания

7.5 Описания схемы подключения внешних проводок

7.6 Описание структурной схемы

8. Проектная оценка надежности системы

9. Мероприятия по подготовке объекта автоматизации и персонала к вводу системы в действие

10. Экономическая эффективность внедрения автоматизированоой системы управления

11. Метрологическое обеспечение

11.1 Обоснование выбора средств автоматизации

11.1.1 Метрологические характеристики датчика давления

11.1.2 Метрологические характеристики датчика уровня

11.2 Поверка датчика давления ОВЕН ПД100

11.2.1 Средства поверки

11.2.2 Условия поверки

11.2.3 Внешний осмотр

11.2.4 Опробование

11.2.5 Определение основной погрешности измерения

11.2.6 Определение вариации выходного сигнала

12. Безопасность жизнедеятельности

12.1 Значение и задачи безопасности жизнедеятельности

12.2 Анализ условий труда и мероприятия воздействия вредных производственных факторов

12.2.1 Анализ вредных и опасных факторов на рабочем месте

12.2.2 Санитарно-гигиенические требования к помещениям

12.2.3 Производственный шум и вибрации

12.2.4 Освещенность

12.3 Расчет освещения

12.3.1 Определение площади помещения

12.3.2 Определение индекса помещения

12.3.3 Определение требуемого количества светильников

12.4 Обеспечение электробезопасности

12.5 Пожарная безопасность

12.6 Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях

Заключение

Список использованных источников



Введение

Вода является одним из важнейших природных ресурсов в нашей жизни. Этот природный элемент используется практически во всех сферах нашей жизни. Следовательно, встает вопрос повышения эффективности технологического процесса добычи воды.

Насосные станции систем водоснабжения представляют собой комплекс сооружений и оборудования, обеспечивающий водоснабжение в соответствии с нуждами потребителя. Состав сооружений, их конструктивные особенности, тип и число основного и вспомогательного оборудования определяются исходя из принципов комплексного использования водных ресурсов и охраны природы с учетом назначения насосной станции и предъявляемых к ней технологических требований.

Введение автоматизации управления насосными станциями является одним из важнейших направлений технического прогресса в области подачи и отведения воды в населенных пунктах и на промышленных предприятиях.

Современные системы водоснабжения имеют разветвленную сеть и большое число водопитателей, расположенных на обширной территории. Визуальный контроль за состоянием технологического оборудования и ручное управление агрегатами не могут обеспечить достаточной надежности и экономичности работы насосных станций. Автоматизация систем водоснабжения дает значительные преимущества во многих аспектах добычи воды, такие как положительный экономический эффект, улучшение условий труда персонала, снижение влияния человеческого фактора, снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций.

В данной работе рассматривается автоматизация системы бытового водоснабжения, состоящего из двух групп по три скважины, резервуара и насосной второго подъема. Конечной задачей данной системы водоснабжения является бесперебойная подача воды потребителю с оптимальным давлением. Разрабатываемая система водоснабжения призвана снизить расходы на обслуживание данной системой водоснабжения, тем самым снизив себестоимость добываемой воды, а так же повысить ее эффективность.



1. Нормативные ссылки

В данной выпускной квалификационной работе были использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 12.0.003-74 Опасные и вредные производственные факторы.

ГОСТ 12.1.003-83 Шум. Общие требования безопасности.

ГОСТ 12.1.005-88 Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

ГОСТ 12.1.012-78 ССБТ. Вибрация. Общие требования безопасности.

ГОСТ 12.1.013-78 Система стандартов безопасности труда. Строительство. Электробезопасность. Общие требования

ГОСТ 12.2.007.0-75 Система стандартов безопасности труда - Изделия электротехнические.

ГОСТ 12.4.026-76 Цвета сигнальные и знаки безопасности.

ГОСТ 19.104-78 ЕСПД. Основные надписи.

ГОСТ 19.202-78 ЕСПД. Спецификация. Требования к содержанию и оформлению.

ГОСТ 19.404-79 ЕСПД. Пояснительная записка. Требования к содержанию и оформлению.

ГОСТ 21.404-85 СПДС. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах.

ГОСТ 24.104-85 Документация на АСУ. Автоматизированные системы управления. Общие требования.

ГОСТ 24.302-80 Документация на АСУ. Общие требования к выполнению схем.

ГОСТ 34.602-89 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы.

ГОСТ 22269-76 Система "Человек-машина". Рабочее место оператора. Взаимное расположение элементов рабочего места. Общие эргономические требования.

ГОСТ 25861-83 - Машины вычислительные и системы обработки данных. Требования по электрической и механической безопасности и методы испытаний

СНиП 2.04.02-84 - Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.

1 

2. Технико-экономическое обоснование создания автоматизированной системы

2.1 Краткое описание предполагаемого технологического решения

Целью деятельности любого предприятия является эффективное функционирование как с точки зрения рационального использования ресурсов, так и с точки зрения неуклонного ускорения НТП и полного удовлетворения нужд производителей и потребителей. Поэтому для повышения эффективности производства требуется создание АСУ, в настоящее время важное место при ее создании занимают вопросы технико-экономического обоснования.

Насосные станции систем водоснабжения представляют собой комплекс сооружений и оборудования, обеспечивающий водоснабжение в соответствии с нуждами потребителя. Состав сооружений, их конструктивные особенности, тип и число основного и вспомогательного оборудования определяются исходя из принципов комплексного использования водных ресурсов и охраны природы с учетом назначения насосной станции и предъявляемых к ней технологических требований.

Введение автоматизации управления насосными станциями является одним из важнейших направлений технического прогресса в области подачи и отведения воды в населенных пунктах и на промышленных предприятиях.

Современные системы водоснабжения имеют разветвленную сеть и большое число водопитателей, расположенных на обширной территории. Визуальный контроль за состоянием технологического оборудования и ручное управление агрегатами не могут обеспечить достаточной надежности и экономичности работы насосных станций.

Применение автоматизированного управления насосными станциями дает значительные преимущества:

- позволяет уменьшить вместимость баков водонапорных башен и сборных резервуаров за счет увеличения частоты плавного пуска и остановки агрегатов, либо полностью отказаться от применения водонапорных башен за счет частотного регулирования;

- снижает эксплуатационные расходы вследствие уменьшения числа обслуживающего персонала, а также расходов на отопление и освещение помещений;

- увеличивает срок службы оборудования и приборов благодаря своевременному выключению из работы агрегатов при возникновении неполадок в их работе;

- снижает строительную стоимость, так как оборудование концентрируется на меньшей площади машинного зала и отпадает необходимость в устройстве бытовых и вспомогательных помещений;

- дает возможность сосредоточить управление несколькими автоматизированными насосными станциями в одном пункте, что делает систему более гибкой и надежной;

- исключает участие персонала станции в технологических операциях, протекающих в антисанитарных условиях.

Ожидаемый эффект от автоматизации:

- снижение потребления тока за счет автоматического поддержания оптимального давления;

- исключение бросков тока, перегружающих система электроснабжения за счет плавного пуска;

- снижение средней частоты вращения насосного повышает ресурс насоса и двигателя в 1,5 раза, а так же исключает резонансные эффекты конструкции;

- уменьшение гидравлической нагрузки на трубопровод и полное исключение гидроударов, вызывающие частые порывы;

- уменьшение расхода воды за счет снижения давления до оптимального.;

- исключение дневных отключений воды за счет того, что глубинные насосы успевают накачивать воду в кейсон;

- дополнительное энергосбережение за счет уменьшения работы глубинных насосов;

После модернизации система будет обеспечивать круглосуточную подачу воды, автоматически переходя в экономичный режим и расходуя минимум электроэнергии. Будут обеспечены схемы резервирования системы и индикация режимов работы, возможность ручного управления.

2.2 Недостатки используемого решения

Управление насосами скважин и водозабора производится вручную. Оперативный контроль параметров: состояние насоса, давление воды, текущий и суммарный расходы воды - на станции водозабора отсутствует. Диспетчер для поддержания необходимого уровня воды в накопительных емкостях совершает обход всех скважин и включает/выключает насосы при помощи пульта управления. При этом ему нужно 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 необходимо иметь шесть человек, труд каждого из которых должен быть оплачен. В данном случае мы имеем большую степень вероятности проявление человеческого фактора, что может привести к непоправимым последствиям. Такой порядок работы не устраивает руководство и требуется 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.

2.3 Организация работ по проектированию и разработке оптимального варианта технической части

2.3.1 Основание для проектирования

Проект системы контроля и управления процессом водоснабжения, разрабатывается в соответствии с заданием на дипломное проектирование, а также с необходимостью усовершенствования реально существующей системы.

Система контроля технологическим процессом предназначена для выполнения заданного технологического регламента. Разработанная система должна обеспечить:

- бесперебойную подачу воды с заданным давлением в сети;

- противопожарный запас воды;

- надежность системы за счет контроля технологического оборудования;

- архивирование статистических данных;

- представление графиков работы скважин и ведение учета потребляемой воды;

- постоянный необходимый запас воды в резервуарах;

- уменьшение времени реагирования на нештатные ситуации;

- минимизацию эксплуатационных затрат за счет снижения потребляемой электроэнергии и уменьшение числа обслуживающего персонала.



2.3.2 Содержание работ по стадии создания проекта

Обследование объекта и обоснование необходимости создания системы, формирование требований к системе; оформление отчета о выполненной работе и заявки на систему; проведение необходимых научно-исследовательских работ; разработка вариантов концепции системы, удовлетворяющего требованиям пользователя; оформление отчета о выполненной работе.

2.3.3 Порядок контроля и приемки системы

Проведение предварительных испытаний; контрольный запуск системы; проверка работы предусмотренных систем защиты.

2.3.4 Содержание работ по стадии внедрения системы

Подготовка системы к вводу в действие; подготовка персонала; комплектация СК поставляемыми изделиями; пусконаладочные работы; проведение предварительных испытаний; проведение опытной эксплуатации; проведение приемочных испытаний.

2.3.5 Требования к документации

Необходима разработка схем автоматизации, регулирования, сигнализации, питания, внешних проводок, перечня приборов щита.

Информационный обмен между верхним и нижним уровнями системы контроля должен осуществляться путем передачи сигнала по протоколу интерфейсу RS-485.

Должна быть предусмотрена возможность восстановления базы данных системы контроля с использованием резервной базы данных и архивной информации.

Требования к применению языков программирования, языков взаимодействия пользователей и технических средств системы, а также требования к кодированию и декодированию данных, средствам манипулирования данными и способам организации диалога определяются применяемым для реализации АСУ ТП комплексом технических средств.

Человеко-машинное взаимодействие при вводе-выводе информации должно осуществляться в интерактивном режиме с помощью клавиатуры и/или сенсорного дисплея для системы контроля верхнего и нижнего уровня.

Должны быть обеспечены единство и однозначность кодирования информации различных уровней системы.

Программное обеспечение системы контроля должно быть достаточным для реализации всех функций системы.

Программное обеспечение должны поставляться в составе комплекса технических средств.

Прикладное программное обеспечение подсистем нижнего уровня может быть создано путем конфигурирования стандартных программных модулей с использованием инструментального комплекса техническим средств. При необходимости должны быть разработаны дополнительные программные модули и средства.

В качестве средств вычислительной техники должны быть применены персональные ЭВМ (ПЭВМ) на верхнем уровне системы контроля и микропроцессорный комплекс технических средств на нижнем уровне системы.

Комплекс технических средств системы контроля должен обеспечивать бесперебойное функционирование системы.

2.3.6 Требования безопасности

При проектировании необходимо учесть требования нормативных материалов для пожара- и взрывоопасных помещений класса Д.

Электрооборудование, входящее в комплекс средств автоматизации, должно быть заземлено в соответствии с требованиями ПУЭ.



2.3.7 Противопожарные мероприятия

Выбор электрооборудования и приборов контроля, кабелей должен быть произведен в зависимости от категории производства по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности.

Монтаж системы контроля должен соответствовать действующей научно- технической документации.

2.3.8 Штатное расписание

Примем срок разработки АС равным 65 дней.

Таблица 1.1 - Штат разработчиков и зарплата

Сотрудники	Кол-во	Ср. оклад, руб
Состав группы разработчиков	4	20000
Состав группы монтажников	1	18000

2.3.9 Калькуляция затрат на разработку

Рассчитаем стоимость амортизации оборудования по формуле

,

где - затраты на возмещение износа оборудования, руб;

- стоимость оборудования, руб;

- годовая амортизация оборудования, %;

- число рабочих дней в году, дн;

- сроки средней работы оборудования, дн.



Таблица 1.2 - Затраты по статье «Амортизация»

Наименование	Кол-во	Общая ст-сть, руб	Норма амортизации	Кол-во дней	Всего, руб
Компьютер	4	84000	12,5 %	65	2763
Принтер	1	5500	12,5 %	65	180
Ноутбук	1	23000	12,5 %	65	756
ИТОГО		91800			3020

Рассчитаем заработанную плату по стадиям для разработчиков.

,

где - заработная плата, руб;

- количество специалистов;

- средняя заработная плата в день, руб;

- количество рабочих дней, дн.

Таблица 1.3 - Расчет основной заработной платы разработчиков за весь срок

Состав	Кол-во	Всего,дней	Ср. окл., руб	Зп. всего, руб	ЕСН, руб	Всего, руб
Группа разработчиков	4	65	20000	172800	44929	217729
Группа монтажников	1	30	18000	18000	4680	22680
ИТОГО	5			190800	49609	240408

Расчет единого социального налога проводиться по формуле

,

где ЕСН - единый социальный налог, руб;

СЕСН - ставка единого социального налога.

В свою очередь СЕСН = 26 %.

Затраты на электроэнергию рассчитаем по формуле

,

где - затраты на электроэнергию, руб.;

?W- суммарная мощность, кВт;

Т - время работы, ч;

-тарифная ставка, руб/кВт·ч.

Таблица 1.4 - Затраты по статье «Электроэнергия»

Наименование оборудования	Кол-во, ед	Суммарная потребляемая электроэнергия, кВт·ч	Тарифная ставка, руб/кВт·ч	Итого, руб
Продолжительность работы, 520 ч
Компьютер	4	0,5	3,80	3952
Продолжительность работы, 520 ч
Принтер	1	0,3	3,80	593
Продолжительность работы, 520 ч
Ноутбук	1	0,1	3,80	198
Итого, руб	4743

Таблица 1.5 - Затраты по статье приборы, материалы и оборудование

Перечень материальных ресурсов	Колво, шт	Цена за ед, руб	Сумма, руб
1. Расходные материалы			2500
2. Ноутбук	1	20000	20000
3. Компьютер	4	10000	40000
4. Принтер лазерный	1	5500	5500
5. Картридж для принтера	1	1500	1500
6. Роутер Wi-Fi	1	2000	2000
7. Щит ЩРН	5	1500	7500
8. Датчик давления ОВЕН ПД100	8	2900	23200
9. Датчик уровня ОВЕН ДС.1	9	550	4950
10. Расходомер ТЕПЛОКОМ ПРЭМ 80	1	32000	32000
11. Контроллер ОВЕН ПЛК150	1	9200	9200
12. Модуль ввода ОВЕН МВА8	4	4200	16800
13. Модуль ввода-вывода ОВЕН МДВВ	3	3500	10500
14. Частотный преобразователь ОВЕН ПЧВ	4	11200	33600
15. Устройство плавного пуска Siemens 3RW40	6	16200	97200
ИТОГО, руб	306450

Составим калькуляцию предпроизводственных затрат.

Таблица 1.6 - Калькуляция затрат на разработку

Наименование расходов	Содержание	Порядок расчета	Всего, руб
Материалы	Стоимость всех материальных ресурсов	По нормам расхода материалов	306450
Амортизация	Амортизационные отчисления на спец. оборудование	12,5 % годовых от ст-ти оборудования	3020
Электроэнергия	Затраты на электроэнергию	Табл. 1.4	4743
Основная зарплата	Основная заработная плата разработчиков	Табл. 1.3	198800
Дополнительная зарплата	Оплата очередных и дополнительных отпусков	10 % от основной зарплаты	19880
ЕСН	Налог	26 % от основной зарплаты	49609
Накладные расходы	Общехозяйственные расходы организации	20 % от основной зарплаты	39600
Накопления	Отчисления на развитие научно-исследовательской базы	20 % от общих затрат	124420
ИТОГО, руб	746522

Цену разработки проекта можно выразить следующей формулой

= + + + ,

где - цена проекта (программного продукта), руб;

- затраты на разработку, руб;

- плановые накопления (20 %) к сумме затрат, руб;

- налог на добавленную стоимость (18 %) к оптовой цене, руб;

- процент за банковские операции (5 %).

= 746522 + 149304 + 134374 + 37326 = 1067526 руб.

Определение прибыли

Общая прибыль определяется по следующей формуле

= - ,

где - общая прибыль, руб;

- затраты на разработку, руб;

= 1067526- 746522 = 321004 руб.

Чистая прибыль определяется по следующей формуле

= - ,

где - чистая прибыль, руб.;

- налог на прибыль, составляющий 24 % от общей прибыли, руб.

= 321004 - 77041 = 243963 руб.

Т а б л и ц а 1.7 - Обоснование периода разработки

Дата начала	Дата завершения	Действия
11.03.2013	21.03.2013	Разработка технического задания
22.03.2013	01.04.2013	Сбор и анализ информации об объекте автоматизации
02.04.2013	06.04.2013	Оформление документации
07.04.2013	04.04.2013	Выбор средств автоматизации и технологического оборудования
05.04.2013	20.04.2013	Выбор конкретного оборудовании
21.04.2013	24.04.2013	Оформление документации
25.04.2013	27.04.2013	Анализ вредных факторов воздействующих на человека при эксплуатации АТП
28.04.2013	01.05.2013	Оформление документации
02.05.2013	04.05.2013	Анализ влияния на экологическое состояние окружающей среды АТП
05.05.2013	11.05.2013	Оформление документации
12.05.2013	14.05.2013	Расчет себестоимости автоматизации системы водоснабжения
15.05.2013	22.05.2013	Оформление документации



3. Изучение технологического объекта управления

3.1 Общие сведения

Система водоснабжения является достаточно сложным объектом автоматизации и состоит из нескольких составных частей, которые удалены друг от друга на различные расстояния до 1 километра.

Основными задачами системы автоматизации водоснабжения является непрерывная подача воды в водопровод потребителя, поддержание в нем заданного давление, а так же защита от аварийных ситуаций, таких как недостаток воды в скважине, переполнение резервуара и других, которые будут подробно разобраны в последующих разделах данного отчета. Поэтому, самой главной составная частью данного объекта автоматизации является скважина, т.к. собственно она является источником так называемого сырья, в роли которого в данном случае выступает вода. Данная система водоснабжения ориентирована на работу с несколькими скважинами. В данном случае предполагается наличие двух групп по две скважины, удаленных друг от друга на расстоянии около 500 метров. Данные скважины оборудованы погружными насосами, которые осуществляют процесс забора воды из скважины и передачи ее по трубопроводу.

Второй составной частью данного объекта автоматизации является резервуар, служащий для накопления некоторого объема воды, что является необходимым для систем водоснабжения такого типа. Резервуар соединен трубопроводами со всеми скважинами с одной стороны (насосная первого подъема) и насосной второго подъема с другой стороны.

Третьим, заключительным звеном данной системы водоснабжения является насосная станция второго подъема. Данное помещение оборудовано насосами, соединенными трубопроводом с резервуаром. Данные насосы осуществляют непосредственный забор воды из резервуара и подачу ее в трубопровод потребителя.

Как уже было сказано ранее, основными задачи перед системой водоснабжения являются:

- непрерывная подача воды;

- поддержание заданного давления в трубопроводе потребителя;

- защита от всевозможных аварийных ситуаций;

- возможность контроля технологического процесса из единого диспетчерского пункта;

- возможность перевода системы в режим ручного управление технологическим процессом.

Поставленные задачи являются непростыми и их невозможно решить должным образом без применения современных средств автоматизации. В данном отчете освещен процесс проектирования системы автоматизации для данной системы водоснабжения.

Рисунок 1.1 - Объект автоматизации

На насосных станциях автоматизируются: пуск и остановка насосных агрегатов и вспомогательных насосных установок; контроль и поддержание заданных параметров (например, уровня воды, подачи, напора и т.д.); прием импульсов параметров и передача сигналов на диспетчерский пункт. Для наблюдения за параметрами работы насосной станции служат различные датчики, которые преобразуют контролируемую величину в электрический сигнал, поступающий в исполнительный механизм.

В автоматизированных системах управления насосными агрегатами применяют следующие типы датчиков и реле:

- датчики уровня - для подачи импульсов на включение и остановку насосов при изменении давления в трубопроводе;

- датчики или электроконтактные манометры, - для управления цепями автоматики при изменении давления в трубопроводе;

- струйные реле - для управления цепями автоматики в зависимости от направления движения воды в контролируемом трубопроводе;

- реле времени - для отсчета времени, необходимого для протекания определенных процессов при работе агрегатов;

- термические реле - для контроля за температурой подшипников и сальников, а в некоторых случаях - за выдержкой времени;

- вакуум реле - для поддержания определенного разрежения в насосе или во всасывающем трубопроводе;

- промежуточные реле - для переключения отдельных цепей в установленной последовательности;

- реле напряжения - для обеспечения работы агрегатов на определенном напряжении;

- аварийные реле - для отключения агрегатов при нарушении установленного режима работы.

Принципы и возможности регулирования:

- точное поддержание заданного давления;

- возможность ручного или автоматического суточного изменения давления;

- энергосбережение за счет исключения избыточного давления;

- энергосбережение за счет оптимизации пусковых режимов;

- многодвигательное управление;

- защита оборудования и водопровода;

- индикация, диспетчеризация и архивация параметров.

Основной смысл использования автоматизированных систем управления (АСУ) в насосных установках заключается в том, чтобы привести в соответствие режим работы насосов с режимом работы водопроводной или канализационной сети. Водопотребление непрерывно изменяется во времени по случайно-вероятностным законам. Диапазон изменения водопотребления довольно широк. Чтобы отслеживать эти изменения, необходимо непрерывно регулировать режим работы насосной установки.

Процесс регулирования осложнен несоответствием характеристик центробежных насосов и трубопроводов. Для увеличения подачи воды по трубопроводу напор на насосной станции надо увеличивать, а характеристики центробежных насосов таковы, что при увеличении подачи воды напор, развиваемый насосом, падает. В периоды уменьшенного водопотребления системы водоснабжения работают с избыточным напором, который частично гасится в дросселирующих устройствах или в водоразборной арматуре у потребителя. Под воздействием избыточных напоров увеличиваются утечки и непроизводительные расходы воды, возникают повышенные механические напряжения в стенках труб.

Регулированием частоты вращения насоса его рабочие параметры приводятся в соответствие с режимом работы водопроводной или канализационной сети. Чтобы изменить частоту вращения насоса, его оснащают регулируемым приводом, то есть подключают электродвигатель насоса через преобразователь частоты. Значение частоты вращения насоса, с которой он должен работать в тот или иной момент времени, определяется АСУ, т.е. режимом работы насосной установки. Требуемое значение частоты вращения устанавливается АСУ автоматически в зависимости от многих факторов. К числу факторов, влияющих на частоту вращения насоса, относятся: расход воды в системе, уровень воды в резервуарах, значения статического и динамического противодавления, количество параллельно работающих насосов, количество насосных установок, подающих воду в сеть.

До сих пор наиболее распространенным способом регулирования остается дросселирование напорной задвижкой. Достоинством данного способа является простота его реализации, а существенным недостатком - неэкономичность.

Насосная установка работает с повышенным напором из-за увеличения гидравлического сопротивления системы трубопроводов. Повышение напора в результате изменения гидравлического сопротивления не является постоянным, а зависти от расхода жидкости, т.е. влияет на значение динамической составляющей напора, развиваемого насосной установкой, изменяет крутизну характеристики трубопровода.

При работе насосной установки с подачей меньше расчетной возникает несоответствие между напором, развиваемым насосом, и напором, требуемым для подачи того или иного количества жидкости (т.е. превышение напора насоса). Сравнение характеристики центробежных насосов и трубопроводов показывает, что при уменьшении подачи требуемый напор также уменьшается, а развиваемый насосом напор увеличивается.

Разность этих напоров и есть превышение напора сверх требуемого. Из графика совместной работы насоса и трубопровода видно, что значение превышения напора тем больше, чем круче характеристики насоса и трубопровода, и чем меньше фактическая подача насоса по сравнению с расчетной. На превышение напора нерационально расходуется дополнительная мощность.

Итак, наилучшим является режим работы, при котором развиваемый насосом напор равен напору, требуемому для подачи воды. Такой режим, в частности, может быть реализован при управлении частотой вращения насоса с использованием частотно-регулируемого электропривода.



3.2 Требования к насосным станциям

В системе производственного водоснабжения используются следующие насосные станции: насосные станции 1-го подъема; станции 2-го подъема; станции оборотного водоснабжения (циркуляционные); повысительные; перекачивающие; шламовые и дренажные.

Насосные станции 1-го подъема (НС1) забирают воду из источника и подают ее на очистные сооружения, или, если очистка не требуется, непосредственно в резервуар или распределительную сеть - в зависимости от принятой схемы водоснабжения.

Они располагаются обычно вне территории предприятия на берегу водоема. НС1 должны располагаться на местах, которые не затапливаются в паводок, но и должны обеспечивать надежный забор воды при наинизшем ее уровне. Поэтому чаще всего строятся станции заглубленного типа, когда основание станции находится ниже уровня воды.

НС1 выполняют цилиндрической формы. Особое внимание обращают на компактность размещения оборудования и уменьшения диаметра здания. Поэтому широко используются насосы вертикального типа, у которых двигатель и арматура располагаются на втором этаже. Число насосов - минимально возможное.

На предприятиях, предъявляющих различные требования к качеству воды, на НС1 могут быть установлены насосы, подающие воду как на очистные сооружения, так и потребителям неочищенной воды. Таким образом объединяются насосные станции НС1 НС2.

Часто также, объединяются НС1 и водоприемные камеры в одно сооружение.

Насосные станции 2-го подъема служат для подачи воды потребителям, обычно из резервуаров чистой воды. Они, как правило, объединяются со станциями оборотного водоснабжения. Такие объединенные станции носят название циркуляционных. Они обслуживают одну или несколько систем оборотного водоснабжения, поэтому могут иметь несколько групп соответствующих насосов.

Циркуляционные станции располагаются в зданиях прямоугольной формы с шириной пролета 6, 12, 18 м. Насосы этих станций забирают воду из резервуаров теплой и охлажденной отработавшей воды. Эти резервуары, как правило, заглублены ниже уровня земли. Поэтому и пол машинного зала насосной станции тоже заглублен, чтобы обеспечить необходимую высоту всасывания насосов.

При температуре воды выше 30C насосы устанавливают так, чтобы они были под заливом при нижнем уровне воды в резервуаре. При температуре воды больше 60C надо еще обеспечить достаточный подпор на входе в насосы.

Сами насосы располагаются в зале так, чтобы исключить лишние повороты трубопроводов. Прокладку трубопроводов выполняют в каналах или непосредственно по полу. Последнее предпочтительнее, так как дешевле. Над трубопроводами сооружают переходные мостики.

В заглубленных насосных станциях предусматривают защиту от затопления при авариях. Это либо слив в канализацию, либо установка дренажного насоса.

Повысительные насосные станции (станции подкачки) предназначены для повышения напора воды для отдельных объектов, цехов или агрегатов.

Перекачивающие станции служат для подъема использованной воды от отдельных низкорасположенных потребителей в общую систему отводящих трубопроводов.

Шламовые насосные станции предназначены для перекачки в отстойники или шламонакопители различных отходов производства (шламов, хвостов горных пород, шлаков и др.).

Дренажные насосные станции и установки служат для откачки грунтовых или случайных вод из различных заглубленных мест.

К каждой системе водоснабжения, а следовательно и ее насосной станции предъявляются определенные требования в отношении надежности. По уровню требований надежности системы водоснабжения и насосные станции делятся на три категории:

- к 1-й категории надежности относятся системы водоснабжения и насосные станции предприятий металлургической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности и электростанций. На этих предприятиях не разрешаются перерывы в подаче воды. Снижение подачи допускается не более чем на 30% от расчетной подачи и не более чем на 3 суток. Допускается снижение расхода ниже этого предела не более 10 мин.

- к 2-й категории относятся системы предприятий угольной, горнорудной, нефтедобывающей, машиностроительной и др. видов промышленности, на которых допускается перерыв в подаче не более чем на 5 часов, а также снижение подачи на 30% до 15 суток;

- к 3-й категории относятся системы мелких промышленных предприятий, допускающие перерыв в подаче воды до одних суток, а также снижение подачи на 30% не более чем на месяц.

4. Разработка концепции автоматизированной системы управления

4.1 Выбор технологического оборудования

4.1.1 Выбор программируемого логического контроллера

Программируемый логический контроллер представляет собой специализированный вычислитель на базе микропроцессора, предназначенный для управления технологическими процессами и различным оборудованием в реальном масштабе времени, в том числе для экономичного варианта замены устаревшего электрооборудования и релейной логики при модернизации уже существующего технологического оборудования. ПЛК является универсальным техническим средством, позволяющим в кратчайшие сроки создавать технические комплексы для различных областей применения. Алгоритм управления описывается в виде совокупности логических выражений (программы) на специально разработанном языке программирования, что в совокупности с мощными отладочными средствами определяет легкость ввода в эксплуатацию и дальнейшее обслуживание технических комплексов.

Основным свойством ПЛК является циклический характер выполнения программы, время цикла (10 мс) и определяет предел применимости данного типа устройств в с системах реального времени.

Каждый цикл ПЛК делится на три этапа

- прием информации от объекта управления

- принятие решения на основании алгоритма управления (программы)

- формирования управляющего воздействия на объект управления.

Входная информация представлена в виде дискретных сигналов, поступающих от различного рода датчиков и переключателей, отражающих текущее состояние оборудования, положение исполнительных механизмов и органов ручного управления.

Процесс принятия решения состоит в последовательном вычислении логических выражений, составляющих тело программы.

Действия ПЛК состоят во включении и выключении дискретных выходных сигналов, управляющих внешними устройствами, в качестве которых могут быть применены пускатели, устройства сигнализации и индикации.

Для данной автоматизированной системы управления была выбрана разработка российской компании «Овен» под названием «ПЛК150».

Основное применение данной линейки контроллеров: построение распределенных систем управления и диспетчеризации, причем как на базе проводных, так и беспроводных средств.

Основные отрасли, в которых контроллеры нашли применение:

- производство и модернизация автоматики котельных;

- управление малыми станками и механизмами;

- климатическое оборудование;

- торговое оборудование;

- пищеперерабатывающие и упаковочные аппараты;

- системы HVAC, водоканалы, ИТП, ЦТП;

- строительное производство;

- системы сбора данных и диспетчеризации.

Контроллер ОВЕН ПЛК150 выполнены в полном соответствии со стандартом ГОСТ Р 51840 (IEC 61131-2), что обеспечивает высокую аппаратную надежность.

По электромагнитной совместимости контроллеры соответствуют критерию А по соответствующим ГОСТ-ам, что подтверждено неоднократными испытаниями изделия.

Контроллеры не содержат операционной системы (платформа Embedded), что повышает их отказоустойчивость.

Изначально в контроллеры данной линейки заложены мощные аппаратные ресурсы, Мощный процессор и достаточно большое количество памяти, как ОЗУ, так и ПЗУ (Flash).

Программирование контроллеров осуществляется в профессиональной, распространенной, и совершенно бесплатной для покупателей ОВЕН среде CoDeSys v.2.3.x. Ознакомиться с системой CoDeSys, а так же скачать документацию по работе в системе можно на нашем сайте.

Особенностью контроллеров является небольшое количество точек ввода\вывода и расширенным количеством интерфейсов на борту. Каждый контроллер имеет порт Ethernet и от 2 до 3 последовательных портов RS232 (RS485) в зависимости от модели. Помимо поддержки самых распространенных протоколов обмена ModBus (RTU, ASCII), ОВЕН, DCon поддержана возможность работы напрямую с портами контроллера, что позволяет подключать внешние устройства устройства с нестандартными протоколами.

Контроллер имеет встроенные часы, что позволяет создавать системы управления с учетом реального времени.

Встроенный аккумулятор, позволяющий организовать ряд дополнительных сервисных функций: возможность кратковременного пережидания пропадания питания, перевод выходных элементов в безопасное состояние.

Наличие Flash памяти позволяет организовывать архивирование данных на самом ПЛК.



Рисунок 4.1 - Программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК150

4.1.2 Выбор модулей ввода-вывода

Модули ввода и вывода являются неотъемлимой частью системы автоматизации, так как. Выбранный программируемый логчиеский контроллер изначально поставляется с небольшим количеством входов и выходов, которых недостаточно для построения полноценной АСУ. Так же перед нами встает проблема распределенности - вся система распределена по территории и расстояние между ее частями может достигать 1 киллометра.

В данной ситуации нам необходимы модули вводы и вывода, которые позволяют работать с датчиками и исполнительными механизмами локально и передавать сигнал другим устройствам по интерфейсу RS485.

Под данные требования отлично подходят разработки фирмы «Овен», на которых и был остановлен выбор.

1. 

4.1.2.1 Модуль ввода аналоговый (МВА8)

Восьмиканальный универсальный измерительный модуль ввода для распределенных систем управления в сети RS-485.

Может использоваться в качестве модуля расширения входов для ОВЕН ПЛК или программируемых контроллеров других производителей.

Модуль ввода МВА8 работает в сети RS-485 при наличии в ней «мастера», при этом сам МВА8 не является «мастером» сети.

Рисунок 4.2 - Модуль ввода аналоговый ОВЕН МВА8

Основные функции:

- восемь универсальных входов для подключения широкого спектра датчиков температуры, давления, влажности, расхода, уровня и других физических величин;

- цифровая фильтрация и коррекция входных сигналов, масштабирование показаний датчиков с унифицированным выходным сигналом (активных датчиков);

- передача измеренных значений по интерфейсу RS-485;

- поддержка распространенных протоколов Modbus (ASCII, RTU), DCON, ОВЕН;

- помехоустойчивость благодаря импульсному источнику питания от 90 до 264 В частотой от 47 до 63 Гц;

- возможность конфигурирования на ПК.

4.1.2.2 Модуль вывода управляющий (МВУ8)

Восьмиканальный модуль управления исполнительными механизмами для распределенных систем в сети RS-485 (протоколы ОВЕН, Modbus, DCON).

Модуль может использоваться:

- в качестве удаленного блока выходных устройств для SCADA-системы или программируемых контроллеров (ОВЕН ПЛК или др.);

- для интеллектуального управления исполнительными механизмами.

- МВУ8 работает в сети RS-485 при наличии в ней «мастера», при этом сам МВУ8 не является «мастером» сети.

Рисунок 4.3 - Модуль вывода управляющий ОВЕН МВУ8

Основные функции:

- до 8 каналов управления различными исполнительными механизмами (ИМ): 2-х позиционными (ТЭНы, двигатели, клапаны); 3-х позиционными (задвижки, краны), как с датчиком положения, так и без него; ИМ с аналоговым управлением;

- 8 встроенных выходных элементов с возможностью расширения до 16 путем подключения 8-канального модуля дискретных выходных элементов ОВЕН МР1;

- непосредственное управление ИМ по сигналу SCADA-системы или программируемого контроллера (ШИМ с высокой точностью, ON/OFF);

- генерация управляющего ШИМ-сигнала заданной скважности (или аналогового сигнала) по расчетной мощности, полученной из сети RS-485 от ПИД-регулятора или его модели в SCADA-системе; управление сложными системами ИМ, например системой «нагреватель - холодильник», группой ТЭНов, системами дискретной сигнализации и т.п.;

- контроль нахождения в заданных пределах значения физической величины, поступающей из сети RS-485; автоматический перевод ИМ в аварийный режим работы при нарушении сетевого обмена;

- поддержка распространенных протоколов Modbus (ASCII, RTU), DCON, ОВЕН;

- помехоустойчивость благодаря импульсному источнику питания от 90 до 264 В частотой от 47 до 63 Гц;

- Возможность конфигурирования на ПК.

4.1.2.3 Модуль дискретного ввода-вывода

Модуль дискретных входов и выходов для распределенных систем в сети RS-485 (протоколы ОВЕН, Modbus, DCON).

Модуль может использоваться совместно с программируемыми контроллерами ОВЕН ПЛК или др.

МДВВ работает в сети RS-485 при наличии в ней «мастера», при этом сам МДВВ не является «мастером» сети.



Рисунок 4.4 - Модуль дискретного ввода-вывода ОВЕН МДВВ

Основные функции:

- 12 дискретных входов для подключения контактных датчиков и транзисторных ключей n-p-n типа;

- возможность использования любого дискретно входа в режиме счетчика (максимальная частота сигнала - 1 кГц);

- 8 встроенных дискретных выходных элементов в в различных комбинациях: э/м реле 8 А 220 В; оптотранзисторный ключ 400 мА 60 В; оптосимистор 0,5 А 300 В; для управления твердотельным реле;

- возможность генерации шим-сигнала любым из выходов;

- автоматический перевод исполнительного механизма в аварийный режим работы при нарушении сетевого обмена;

- поддержка распространенных протоколов Modbus (ASCII, RTU), DCON, ОВЕН;

- помехоустойчивость благодаря импульсному источнику питания от 90 до 264 В частотой от 47 до 63 Гц, гальванической развязке в цепях выходов, питания и интерфейса RS-485 и применению защитных элементов в цепях дискретных входов;

- возможность конфигурирования на ПК.



4.2 Частотный преобразователь

Частотый преобразователь предназначен для управления частотой вращения асинхронных двигателей в составе приводов для работы в промышленных установках, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. частотный преобразователь так же называемый в профессиональной среде: частотник, векторный преобразователь частоты, частотный регулятор, частотный регулятор мощности, частотний перетворювач, частотник.

Особенности частотных преобразователей данной серии:

- съемная локальная панель оператора, с ЖКИ дисплеем и встроенным потенциометром, позволяет производить программирование и оперативную настройку параметров четырех преобразователей «ОВЕН ПЧВХХХ», в режиме «горячее подключение»;

- выходные инверторы серии «ОВЕН ПЧВXXХ» выполнены на базе новейших IGBT-модулей «SEMIKRON»;

- конструкция интеллектуальной системы охлаждения позволяет снизить температуру перегрева силовых компонентов встроенным вентилятором и способом «холодная плита».

Основные функциональные возможности:

- алгоритм управления: частотный (U/F) и векторный (V+);

- автоматическая адаптация двигателя (автоматическое измерение и запись актуальных параметров двигателя для использования в алгоритмах управления);

- защита от аварийных режимов, по напряжению, току, температуре, изоляции;

- управление группой двигателей;

- работа с несколькими наборами параметров, (для нескольких режимов работы или электродвигателей);

- копирование наборов, (программирование нескольких приводов с помощью одной локальной панели оператора);

- ручное управление, (встроенный потенциометр на локальной панели оператора);

- интерфейс RS-485;

- встроенный алгоритм оптимизации энергопотребления;

- мониторинг энергопотребления;

- счетчик моточасов;

- индикация портов и параметров;

- выполнение логических операций встроенным ПЛК;

- автоматический поиск частоты вращения;

- выбор параметров «Разгон/Торможение»;

- программирование S- образной характеристики скорости;

- программирование ПИ - регулятора;

- журнал отказов, счет событий;

- управление механическим тормозом;

- пароль доступа.



Рисунок 4.5 - Частотный преобразователь ОВЕН ПЧВ

4.3 Датчики давления

Датчики серии ОВЕН ПД100-ДИ предназначены для непрерывного преобразования избыточного давления измеряемой среды в унифицированный сигнал постоянного тока от 4 до 20 мА.

Датчики избыточного давления предназначены для систем автоматического регулирования, управления и индикации в различных областях промышленности, жилищно-коммунального хозяйства, на тепловых пунктах и т.п.

Функции и особенности преобразователя:

- измерение избыточного давления нейтральных к нержавеющей стали AISI 316L или керамике (Al2O3) сред (воздух, пар, различные жидкости);

- преобразование давления в унифицированный сигнал постоянного тока от 4 до 20 мА;

- верхний предел измеряемого давления (ВПИ) - ряд значений от 125 Па до 10 (25*) МПа;

- перегрузочная способность - от 200% ВПИ и выше;

- класс точности - 0,25;

- степень зашиты корпуса датчика давления - IP65;

- помехоустойчивость удовлетворяют требованиям к оборудованию класса А по ГОСТ Р 51522.

Рисунок 4.6 - Преобразователь давления ОВЕН ПД100

4.4 Датчики уровня

Датчики уровня кондуктометрического типа, предназначены для измерения и сигнализации уровней жидкостей.

Принцип действия датчиков основан на изменении электропроводности между общим и сигнальными электродами в зависимости от уровня измеренного вещества.

Потребитель имеет право укорачивать или наращивать длину поставляемых электродов датчиков, до требуемой по условиям применения.



Рисунок 4.7 - Датчик уровня ОВЕН ДС.1

4.5 Преобразователь расхода

Преобразователи расхода электромагнитные фланцевые типа ПРЭМ-ГФ предназначены для преобразования объемного расхода и объема электропроводных жидкостей в их показания, регистрации и представления результатов измерений на внешние устройства (тепловычислители, регуляторы, устройства централизованного контроля и другие вторичные приборы) и могут быть применены на объектах теплоэнергетического комплекса, на промышленных предприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Преобразователи типа ПРЭМ выпускаются с тремя классами исполнения с различными динамическими диапазонами B1, C1, D; имеют различные динамические диапазоны в прямом и обратном направлениях ; числоимпульсные выходы имеют несколько режимов (реверсивный, с учетом направления потока; компаратор; индикатор ошибки измерения), настраиваемых при заказе; по умолчанию устанавливается реверсивный режим.

Прибор имеет аппаратную защиту от несанкционированного изменения калибровочных коэффициентов, в нем ограничен доступ к изменению настроечных параметров и цена импульса устанавливается на заводе.

Прибор обладает следующими характеристиками:

- температуры измеряемой среды в диапазоне от 0 до +150°C;

- температуры окружающей среды от -10 до +50°С;

- рабочее давление измеряемой среды до 1,6 МПа;

- питание преобразователей осуществляется от источника постоянного тока с номинальным напряжением 12 В с мощностью 5 Вт.

- минимальная длина прямых участков трубопровода до и после преобразователя - 2 Ду;

- выходные сигналы: один или два числоимпульсных сигнала;

- токовый сигнал в диапазоне изменения тока (4-20) мА, пропорциональный измеренному расходу;

- цифровой сигнал в стандарте интерфейса RS485 или RS232.

Рисунок 4.7 - Преобразователь расхода Теплоком ПРЭМ-80

4.6 Выбор программного обеспечения

4.6.1 Среда разработки

CoDeSys -- инструментальный программный комплекс промышленной автоматизации. Производится и распространяется компанией 3S-Smart Software Solutions GmbH (Кемптен, Германия). Название CoDeSys является акронимом от Controller Development System. Версия 1.0 была выпущена в 1994 году. С ноября 2012 изменено написание на CODESYS.

Основой комплекса CODESYS является среда разработки прикладных программ для программируемых логических контроллеров (ПЛК). Она распространяется бесплатно и может быть без ограничений установлена на нескольких рабочих местах.

В CODESYS для программирования доступны все пять определяемых стандартом IEC 61131-3 (МЭК 61131-3) языков:

- IL (Instruction List) ассемблер-подобный язык;

- ST (Structured Text) Pascal-подобный язык;

- LD (Ladder Diagram) Язык релейных схем;

- FBD (Function Block Diagram) Язык функциональных блоков;

- SFC (Sequential Function Chart) Язык диаграмм состояний.

В дополнение к FBD поддержан язык программирования CFC (Continuous Function Chart) с произвольным размещением блоков и расстановкой порядка их выполнения.

В CODESYS реализован ряд других расширений спецификации стандарта IEC 61131-3. Самым существенным из них является поддержка Объектно-ориентированного программирования (ООП).

Встроенные компиляторы CODESYS генерируют машинный код (двоичный код) , который загружается в контроллер. Поддержаны основные 16-и и 32-х разрядные процессоры: Infineon C166, TriCore, 80x86, ARM (архитектура), PowerPC, SH, MIPS (архитектура), Analog Devices Blackfin, TI C2000/28x и другие.

При подключении к контроллеру, среда программирования CODESYS переходит в режим отладки. В нем доступен мониторинг/изменение/фиксация значений переменных, точки останова, контроль потока выполнения, горячее обновление кода, графическая трассировка в реальном времени и другие отладочные инструменты.

4.6.2 Языки программирования

LAD (Ladder Diagram) -- язык релейных диаграмм. Редактор отображает программу в графическом представлении, похожем на электрическую монтажную схему. Логические схемы позволяют программе имитировать протекание электрического тока от источника напряжения через ряд логических условий на входах, которые активизируют условия на выходах. Источником напряжения выступает шина, находящаяся слева.