Основными элементами являются нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты.

Соответственно, замкнутые контакты позволяют потоку сигнала протекать через них к следующему элементу, разомкнутые контакты -- препятствуют протеканию потока сигнала.

Логика делится на сегменты (Network), программа исполняется слева направо и сверху вниз.

Особенностями редактора LAD является простота в использовании и понимании для начинающих программистов.

FBD (Function Block Diagram) -- функциональные блочные диаграммы. Этот редактор отображает программу в виде обычных логических схем. Контактов нет, но есть эквивалентные функциональные блоки. В данном редакторе не используется понятие «поток сигнала», как в LAD, его выражает аналогичное понятие потока управления через логические блоки FBD.

Потоком сигнала называется путь состояния «1» через элементы FBD. Логика программы вытекает из связей между функциональными блоками, обозначающими команды.

Графическое представление функционального плана хорошо отражает процесс выполнения программы.

IL (Instruction List) -- список инструкций. Данный редактор дает возможность создавать программы, вводя мнемонические обозначения команд. В этом редакторе можно создавать программы, которые невозможно создать в редакторах LAD и FBD. Программирование в IL очень похоже на программирование на Ассемблере, несколько специфическое.

ПЛК выполняет команды в порядке, определяемом программой, сверху вниз, затем начинает сначала.

С помощью редактора IL всегда можно посмотреть или отредактировать программы, созданные на LAD или FBD, обратное не всегда возможно.

4.6.3 Средства разработки человеко-машинного интерфейса

CoDeSys HMI - это система исполнения визуализаций, созданных в среде программирования CoDeSys. Если проект содержит визуализацию, то после запуска CoDeSys HMI она открывается в полноэкранном режиме. Пользователь может управлять ею посредством мыши или клавиатуры. Это возможно, даже если файл проекта CoDeSys доступен только для чтения. На экране отображается только визуализация.

Пользователь не имеет возможности редактировать программу. Меню и панели управления CoDeSys не доступны в `операционной версии'. Если необходимо, функции управления и контроля проекта должны быть сопоставлены элементам визуализации при ее создании. Для этого существуют специальные команды, доступные в диалогах конфигурации элемента визуализации. Глубокая интеграция системы программирования CoDeSys и CoDeSys HMI дает следующие преимущества:

- Отсутствие необходимости определять вспомогательные списки переменных. Все переменные проекта доступны в визуализации непосредственно.

- Возможность применения выражений в визуализации. Например, «Variable1 + Variable2 + 5».

- Концепция заместителей позволяет создавать объектно-ориентированные визуализации и использовать их так же, как экземпляры функциональных блоков.

- Трассировщик значений переменных и Менеджер рецептов CoDeSys доступны в CoDeSys HMI.

CoDeSys HMI предоставляет возможность разрабатывать человеко-машинный интерфейс в интегрированной среде разработки и использовать его в любом другом совместимом окружении.

Разработка человека-машинного интерфейса производится в среде CoDeSys, которая одновременно используется и для программирования ПЛК. Для использования разработанного человеко-машинного интерфейса используется специальная программа, которая позволяет запускать его на любом компьютере, использующем одну из поддерживаемых операционных систем.

Рисунок 4.7 - Окно программы CoDeSys HMI

Перечислим плюсы использования CoDeSys HMI:

1) Быстродействие, надежность, очень скромные требования к компьютеру. CoDeSys HMI работает с контроллером напрямую по родному протоколу связи. Т.е. время обновления данных и время реакции на команды оператора в HMI по определению лучше, чем через OPC и тем более DDE. Данный вид визуализации нетребователен к таким ресурсам, как процессорное время и оперативная память, что позволяет сократить расходны на приобретении оборудования.

2) Вся вычисления происходят в контроллере. Можно работать с быстро изменяющимися данными, даже при медленном и не надежном канале связи.

3) Визуализацию CoDeSys можно запустить не только на компьютере. Если ПЛК оснащен панелью или выходом для подключения дисплея, то визуализацию можно запустить прямо в ПЛК. При этом нет необходимости производить какие-либо изменения в программ.

4) Простота применения. Все картинки рисуются прямо в среде программирования и элементарно связываются с переменными проекта. Отпадает необходимость в конфигурировании серверов, а так же надобность в сторонних инструментах - все интегрировано в одной среде.

4.7 Состав каналов и требования к ним

САУ рассматриваемой установки имеет в своем составе большое число каналов различного типа. Измерительные каналы САУ обеспечивают измерение технологических параметров и сравнение с заданными значениями уставок (предупредительных и аварийных). По каналам управления производится выдача команд на управление исполнительными механизмами.

Все сигналы в системе могут быть разделены на входные и выходные, аналоговые и дискретные. В качестве входных САУ принимает аналоговые и дискретные сигналы. Под дискретными сигналами понимаются сигналы от датчиков типа «сухой» контакт. Источниками входных аналоговых сигналов являются датчики давления. Источниками входных дискретных сигналов являются концевые выключатели и другие сигнализаторы положения (состояния) технологического оборудования объекта, а также клавиши и кнопки пультов управления.

Выходные дискретные сигналы обеспечивают выдачу сигналов управления на пускатели исполнительных механизмов, обмотки соленоидов кранов и другое технологическое оборудование объекта. Выходные аналоговые сигналы необходимы для выполнения задач регулирования.

4.8 Контроль обрыва датчиков

В состав САУ входит большое число аналоговых и дискретных датчиков. Очевидно, что контроль и диагностика обрыва в цепях датчиков играет важную роль в повышении надежности и качества системы.

Контроль цепи аналоговых датчиков реализован программно-аппаратно. Если значение измеряемого параметра лежит внутри диапазона измерения и линия связи датчика с преобразователем не нарушена, то значение напряжения на выходе преобразователя будет в пределах от 1 до 5 В. В случае, если значение напряжения, измеренное на выходе аналогового преобразователя, выходит за пределы рабочего диапазона, диагностируется обрыв линии связи датчика с преобразователем.

4.9 Контроль исправности насосов

Контроль исправности насосов реализован программно. Все насосы системы приводятся в действие устройствами планого пуска или частотными преобразователями. Каждое из таких устройств сообщает о своем статусе посредством дискретных сигналов, за которыми оператор имеет возможность наблюдать из диспетчерского пункта.

Помимо контроля состояния пусковых устройств, каждая скважина оснащается датчиками давления. Давление в водопроводе позволяет судить о том, происходит забор воды из скважины или нет. Если система подает сигнал старта пусковому устройству, но давление со временем в трубопроводе не растет, то данная ситуация расценивается как нештатная.

b. 

4.10 Резервирование

В данной системе водоснабжения используется резервирование сетевых насосов, что является мерой по повышению надежносити. Используемая схема резервирования предполагает, что в работе обычно находится не более двух сетевых насосов, в зависимости от текущего давления. В часы малой загрузки работает только один сетевой насос, однако, если давление продолжает понижаться, а первый насос работает на первую мощность, в работу включается второй насос.

Алгоритм управления насосами расчитан на последовательную смену ведущего первого насоса в зависимости от времени наработки каждого, что позволяет продлить общий ресурс работы.

4.11 АРМ оператора

Создание эффективного автоматизированного рабочего места (АРМ) -- серьезная задача при автоматизации любого производства. Архитектура АРМ СИ (сменного инженера) с годами менялась вместе с развитием технических средств и изменениями требовании заказчиков. В современных условиях основа для создания АРМ -- это персональные компьютеры.

Основным фактором при выборе ПЭВМ в качестве основы АРМ послужила широта распространения этой архитектуры, из чего вытекают простота приобретения и модернизации, а так же наличие у заказчика специалистов по обслуживанию, не говоря уже о таком преимуществе, как доступность системного программного обеспечения.

В данной системе используется персональный компьютер с установленным программным обеспечением CoDeSys HMI, основной задачей работы которого является наглядный контроль за состояние всей системы, а так же сбор статистики и архивирование данных. ПЭВМ обменивается данными с программируемым логическим контроллером посредством интерфейса Ethernet, который совместно с протоколом передачи обеспечивает гарантию достижения получателя пакетами информации.

5. 

5. Технического задание на создание автоматизированной системы управления

5.1 Основание для проектирования

Проект автоматизации системы водоснабжения разрабатывается в соответствии с заданием на выпускную квалификационную работу специальности 220201 - Управление и информатика в технических системах.

5.2 Назначение и цели создания системы

В данной квалификационной работе разрабатывается система автоматизации водозабором. Целью создания автоматизированной системы управления водозабором является повышение эффективности технологического процесса, снижение издержек и максимальное исключение человеческого фактора.

5.3 Краткие сведения об объекте автоматизации

Объектом автоматизации является существующая система водоснабжения, состоящая из двух групп скважин, территориально удаленных друг от друга примерно на расстоянии до 1 км, резервуара, канала потребления и насосов 1-ого и 2-ого подъемов.

В насосных 1-ого подъема происходит забор воды из скважин с помощью погружных насосов. Вода из всех скважин попадает в общий резервуар, откуда забирается насосами 2-ого подъема и подается потребителю в общий водопровод.



5.4 Перечень задач автоматизации и требования к техническим характеристикам системы

Автоматизация управления должна обеспечивать оптимальный режим работы системы водозабора, предостеречь установку от аварий, способствовать повышению производительности труда и сокращению эксплуатационных расходов.

Проект должен предусматривать следующие функции автоматизации:

- автоматику безопасности;

- экстренную остановку при отклонении текущих технологических параметров в зону аварийного значения;

- аварийную сигнализацию, оповещающую об отклонениях текущих технологических параметров в зону аварийного значения;

- предупредительную сигнализацию, оповещающую об отклонениях текущих технологических параметров от нормального регламентированного значения, но еще не достигшего значения, при котором возможно аварийной сигнализации.

- чередование использования технических средств для продления их срока службы;

- дистанционную передачу данных между составляющими системы и их учет при регулировании.

Регулирование следующих параметров:

- давление воды в водопроводе потребителя;

- уровень воды в резервуаре.

Комплекс технических средств должен обеспечивать:

- сбор данных о состоянии технологических параметров на всех объектах системы;

- регистрацию данных и использование этих данных для прогнозирования нагрузки;

- мониторинг текущего состояния АСУ в режиме реального времени.

5.5 Требования к системе

Система должна быть спроектирована с применением отечественных и зарубежных средств автоматизации. В системе должны применяться контроллеры, прошедшие процедуру сертификации Госстандарта РФ.

АСУ должна удовлетворять требованиям:

- высокой эксплуатационной надежностью и безопасностью работы оборудования;

- удобством работы оперативного персонала в процессе контроля и управления;

- наличием аппаратных и программных средств для организации информационного обмена с системой управления верхнего уровня;

- дистанционное управление технологическим оборудованием;

- автоматическая аварийная остановка по команде оператора.

Разрабатываемая АСУТП должна соответствовать ГОСТ 24.104 ЕСС АСУ "Автоматизированные системы управления. Общие требования" с учетом требований, изложенных в данном разделе.

Создаваемая Система должна иметь иерархическую структуру, включающую в себя два уровня:

- средний уровень - функционально-распределенная микропроцессорная система управления (микропроцессорные программируемые контроллеры и устройства сопряжения с объектом), обеспечивающая выполнение функций сбора, первичной обработки входных сигналов, автоматического управления, регулирования, последовательного управления, технологических защит и блокировок;

- верхний уровень - уровень, обеспечивающий реализацию функций отображения информации, дистанционного управления технологическим процессом, дистанционной настройки системы, протоколирования, архивирования, приема и передачиинформации в систему управления производством.

Средний уровень Системы должен строиться по агрегатно-блочному принципу и состоять из отдельных (локальных) подсистем.

Верхний уровень включает автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора (1 шт).

АСУ ТП должна быть открытой, т.е. должна поддерживать стандартные технологии, такие как платформы ПК с операционными системами Windows, Ethernet-коммуникации, TCP/IP, OPC для совместной работы со множеством систем различных поставщиков, системы управления с возможностью установки их в полевых условиях, удаленные подсистемы входов/выходов.

Режим функционирования системы должен соответствовать режиму работы основного технологического оборудования, то есть система должна функционировать:

круглосуточно;

автоматически;

бесперебойно.

Работа распределенной системы управления не должна влиять на работу системы противоаварийной защиты - как в нормальном режиме работы, так и в случае нарушения своей работоспособности.

Должна быть обеспечена надежная защита АСУТП:

- от несанкционированного доступа;

- от разрушения или останова работы программного обеспечения в результате некорректных действий оператора технологического процесса;

- от проникновения в Систему вирусов.

Должна быть обеспечена возможность полного исключения на использование станции оператора в качестве персонального компьютера для непроизводственных целей, выходящих за рамки инструкций технолога-оператора.

Система должна предусматривать возможность простого наращивания количества промышленных контроллеров, каналов ввода/вывода информации, АРМ.

Общие эргономические требования, регламентирующие организацию рабочего места, взаимное расположение средств связи в пределах рабочего места должны соответствовать СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.

Система должна обеспечивать высокое качество взаимодействия человека с машиной, комфортность условий работы персонала и иметь:

- интуитивно-понятный графический интерфейс;

- модульный принцип построения, допускающий изолированное использование отдельных компонент Системы, а также их комбинаций, диктуемое производственно-экономическими задачами;

- получение удобно-читаемой информации в объеме, достаточном для контроля выполнения договорных обязательств по энергопотреблению.

Размеры экрана должны быть не менее 21 дюйма по диагонали. Фрагменты изображения не должны быть перенасыщены информацией и разнообразием цветовой гаммы.

Предупредительная и предаварийная сигнализация должна сопровождаться мерцанием и изменением цвета цифровых значений переменных на экране дисплея, а также звуковой сигнализацией, квитируемой технологическим персоналом.

Уровни освещённости рабочих мест персонала должны соответствовать характеру и условиям труда. Должна быть предусмотрена защита от слепящего действия света и отражения (бликов).

Компоновка технических средств Системы должна быть рациональной, как с точки зрения монтажных связей между ними, так и удобства их эксплуатации и обслуживания.



5.6 Требования по безопасности

При монтаже и техническом обслуживании системы автоматизации должны выполняться общие правила работы, установленные для электрических установок документами:

- Правила устройства электроустановок (ПУЭ), издание 7 - 2000г.;

- Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭ и ПТБ), издание 3 -1986;

- СНиП 3.05.07-85 Системы автоматизации.

Требования безопасности к составным частям системы автоматизации в отношении изоляции токоведущих частей, блокировок и защитному заземлению должны соответствовать ГОСТ 12.2.007.0, ГОСТ 25861.

По способу защиты человека от поражения электрическим током система автоматизации должна относиться к классу 01 по ГОСТ 12.2.007.0.

Требования безопасности, предъявляемые к комплектным устройствам, монтируемым в шкафах системы автоматизации, должны соответствовать ГОСТ 12.2.007.0.

Уровень шумов не должен превышать допустимых значений по ГОСТ 12.1.003.

Все внешние части устройств, находящиеся под напряжением по отношению к корпусу и (или) общей шине питания, должны иметь защиту от случайных прикосновений персонала при контроле и эксплуатации. Рукоятки органов управления, настройки и регулировки в цепях с напряжением свыше 42 В должны быть изготовлены из изоляционного материала или иметь изоляционное покрытие.

Конструкция устройств должна исключать возможность попадания в процессе эксплуатации электрических напряжений на наружные металлические части, в том числе на металлические ручки, рукоятки органов управления, замки, фиксаторы и т.п. Металлические части изделий, доступные для прикосновения к ним при контроле и эксплуатации (включая регламентные работы), которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции и не имеют других видов защиты, подлежат защитному заземлению по ГОСТ 12.1.030.

Корпуса блоков, входящих в состав аппаратуры, предназначенные для установки в шкаф пользователя, должны иметь устройства для подключения защитного заземления по ГОСТ 12.2.007.0. На корпусе около устройства защитного заземления должен быть нанесен знак заземления по ГОСТ 2.721.

Защитные приспособления цепей с рабочим напряжением, превышающим 42 В, должны иметь надписи или знаки, предупреждающие обслуживающий персонал об опасности. Предупреждающие надписи и знаки должны быть четкими, нестираемыми и соответствовать ГОСТ 12.4.026, ГОСТ 12.4.040.

Устройства, подключаемые к питающей цепи или источникам питания с напряжением выше 42 В, должны иметь сигнализацию, фиксирующую подачу питающего напряжения. Устройства должны быть снабжены указателями положения переключателя напряжения. Выключатель сети питания должен соответствовать напряжению питающей сети, коммутируемой мощности и обеспечивать двухполюсную коммуникацию.

Переключатели и другие органы управления, состояние которых может повлиять на безопасность работы персонала, должны иметь маркировку, обозначающую выполняемые ими функции.

В эксплуатационную документацию на оборудование с рабочим напряжением, превышающим 42 В, должны быть включены требования безопасности при контроле, эксплуатации (включая техническое обслуживание) и ремонте изделий.

Устройства и их составные части массой более 20 кг должны иметь устройства для подъема, опускания и удержания на весу при монтажных и такелажных работах, если контуры изделия не позволяют удобно и надежно захватить их тросом подъемного устройства.

Все устройства должны присоединяться к общему контуру заземления с сопротивлением растекания не более 4 Ом.

Используемые для монтажа системы автоматизации кабели, входящие в состав поставки, должны соответствовать требованиям ПУЭ по сечениям и конструктивному исполнению.

5.7 Требования к подготовленности персонала АСУ

Персонал автоматизированной системы в соответствии с ролью, выполняемой им в процессе функционирования Системы, делится на 2 основные категории:

- оперативный (технологический) персонал;

- эксплуатационный (обслуживающий) персонал.

К оперативному персоналу относятся лица, непосредственно участвующие в принятии решений по управлению технологическим процессом и в выполнении функций защиты. В данном случае - это аппаратчики, начальники смен и технологических установок, технологи и начальники цехов.

Внедрение Системы не повлияет на численность технологического персонала, однако потребует от него специальной подготовки.

К эксплуатационному (обслуживающему) персоналу относятся лица, обеспечивающие нормальные условия функционирования Системы в соответствии с Инструкциями по эксплуатации и обслуживанию, и выполняющие работы по техническому обслуживанию Системы.

Перед вводом Системы в эксплуатацию технологический и эксплуатационный персонал должен пройти соответствующее обучение.

Помимо персонала АСУТП, работу Системы обеспечивает также ремонтный персонал, непосредственно в функционировании Системы не участвующий, однако способный выполнить ремонт отказавших технических средств.

Штатная численность ремонтного и эксплуатационного персонала АСУ ТП устанавливается руководством предприятия, исходя из количества, надежности и общей трудоемкости, эксплуатации обслуживаемых комплексов технических средств, конкретных систем с учетом трудозатрат на ремонт датчиков, исполнительных механизмов и комплекса технических средств верхнего уровня.

Количественный состав сменного персонала устанавливается руководством предприятия, исходя из объема, сложности эксплуатируемых систем, сменности работы технологического оборудования и возможности выделения компактных зон обслуживания. Персонал АСУ должен быть подготовлен к выполнению своих обязанностей в соответствии с инструкциями организационного обеспечения.

Каждое лицо, входящее в состав персонала АСУ, должно применять соответствующие информационные модели и работать с используемыми им техническими средствами и документацией, определяющей порядок его деятельности.



6. Исследование автоматизированной системы управления

6.1 Общие сведения

АСУ ТП представляют собой высший этап автоматизации водопроводных сооружений и призваны обеспечивать оптимальное ведение технологических процессов водоснабжения.

В технологическом процессе водоснабжения можно выделить два подпроцесса -- подъем и обработку воды, подачу и распределение воды. В соответствии с этим под АСУ ТП водоснабжения следует понимать комплекс систем, состоящий из:

АСУ ТП подъема и обработки воды (АСУ ТП ПОВ), осуществляющей управление насосными станциями I подъема и водоочистными сооружениями (фильтровальными станциями, отстойниками, дозированием химических реагентов и др.);

АСУ ТП подачи и распределения воды (АСУ ТП ПРВ), охватывающей резервуары чистой воды, насосные станции II и последующих подъемов, водопроводные сети.

АСУ ТП ПРВ создаются на водопроводах с поверхностными и подземными водоисточниками, АСУ ТП ПОВ на крупных водоочистных станциях с поверхностными водоисточниками.

Целью управления при функционировании АСУ ТП водоснабжения является обеспечение надежного водоснабжения населения и промышленности города с минимальными эксплуатационными затратами.

Переменная часть эксплуатационных затрат, зависящая от режима работы сооружений, включает расход электроэнергии на насосных станциях, утечки и нерациональные расходы воды, расход химических реагентов.

Известно, что в городских водопроводах имеется значительный перерасход электроэнергии (до 10-15 %), обусловленный избыточными напорами воды, нерациональным распределением нагрузки между насосными станциями, а также работой насосных агрегатов при пониженных значениях КПД.

Водопотребление в жилых зданиях существенно зависит от напоров воды. Поскольку в централизованных системах подачи и распределения воды напор водоисточника (насосной станции или резервуара) выбирается из условия обеспечения требуемых давлений в конечной или наиболее высоко расположенной точке сети (диктующей точке), в большинстве районов сети имеются избыточные напоры. Часть избыточных напоров является неизбежной, так как зависит от конструкции сети, и необходима для подачи воды в более удаленные точки сети, другая часть зависит от режима работы системы. Избыточные напоры в сети вызывают повышенный расход воды.

При оптимизации режимов работы водопроводов необходимо минимизировать не только потребление электроэнергии и потери воды, по также и недоотпуск воды вследствие недостаточных напоров в диктующих точках сети.

Поэтому в качестве критерия оптимальности I следует рассматривать составную функцию

I = I1 +I2 +I3,

гдеI1 потери воды и перерасход электроэнергии, вызванные избыточными напорами в сети,

I2 -- штраф за недоотпуск воды потребителям при недостаточных напорах в ряде точек сети;

I3 затраты на управление (повышенный расход электроэнергии при переключениях насосов, потери энергии при дросселировании напора задвижками и др.).

На водоочистных станциях отмечается перерасход химических реагентов (на 20-30 %).

При внедрении АСУ ТП с помощью ЭВМ, телемеханической и другой аппаратуры осуществляются сбор информации о напорах в диктующих точках водопроводной сети и параметрах работы насосных станций (подаче, напоре, расходе электроэнергии, значениях уровня воды в резервуарах) и контроль за расходованием реагентов и работой фильтров, производится анализ этой информации и выполняются расчеты по определению оптимальных условий эксплуатации.

АСУ ТП водоснабжения представляет собой систему, в которой человек (диспетчер) с помощью различных технических средств осуществляет управление, используя рекомендации по оптимальному ведению технологического процесса водоснабжения, а ЭВМ производит первичную обработку информации, необходимые расчеты и выполняет функции „советчика" диспетчера.

Участие человека в управлении необходимо из-за сложности систем водоснабжения, наличия ряда неформализованных факторов, влияющих на принятие решений, а также из-за отсутствия ряда автоматических регуляторов и других устройств, необходимых для комплексной автоматизации сооружений. Включение человека в контур управления требует использования специальных технических средств отображения информации и ввода команд управления (мнемощитов, дисплеев, диспетчерских пультов и др.).

Таким образом, АСУ ТП водоснабжения является системой информационно-советующего типа. Для отдельных локальных технологических процессов рекомендуется осуществлять автоматическое управление без участия человека (управление группой насосов, работающих на резервуар, управление артезианскими скважинами, дозирование химических реагентов, управление (фильтрами и др.). В таких случаях автоматическое управление осуществляется по определенной, заранее разработанной программе.

Управление процессами подъема, очистки, подачи и распределения воды производится в условиях функционирования АСУ ТП по принципу «оптимизации прогноза». Это означает, что ЭВМ производит расчет прогнозируемого оптимального режима работы сооружений на предстоящий период (обычно на 24 ч), а затем операционно контролирует напоры в сети, корректируя при необходимости расчетный режим. Таким образом может осуществляться управление в нормальных условиях эксплуатации.

Однако на водопроводах нередки аварийные ситуации, связанные с разрывом труб или выходом из строя насосных агрегатов, необходимостью подачи больших количеств воды при тушении пожаров и т.п. В таких случаях диспетчер должен с помощью ЭВМ выбрать наиболее эффективный вариант действия по локализации аварий, т.е. определить, какие задвижки должны быть переключены и какие напоры должны развивать насосные станции для обеспечения водой в создавшихся условиях наибольшего числа потребителей.

АСУ ТП водоснабжения включает в свой состав устройства локальной автоматики, системы централизованного сбора информации о технологических параметрах и состоянии оборудования, средства вычислительной техники и аппаратуру диспетчеризации. Поэтому АСУ ТП можно рассматривать как дальнейший этап развития автоматизации водоснабжения.

Основной характерной чертой АСУ ТП водоснабжения, отличающей ее от системы диспетчерского управления, является использование вычислительной техники для расчетов оптимальных режимов работы водопроводных сооружений.

6.2 Алгоритм сбора и обработки информации

Для АСУ ТП ПОВ и АСУ ТП ПРВ сбор и обработка информации предусматриваются следующим образом:

- измерение, контроль и учет текущих значений параметров путем циклического опроса датчиков с последующей фильтрацией полученных показаний (для устранения резких случайных выбросов), сравнением сигнала, полученного после фильтрации, с границами допуска и выдачей сигнала диспетчеру в случае выхода показаний за допустимые пределы;

- измерение, контроль и учет интегральных значений параметров путем запоминания количества импульсов с выходов счетчиков и накопления их в интегрирующих устройствах телемеханики;

- решение задач контроля и учета параметров, полученных с помощью телесигнализации, методом логического анализа.

В задачах оперативного учета и расчета технико-экономических показателей используется метод прямого счета.

Критерием при решении задач оптимизации работы станций I подъема и очистных сооружений является технологическая себестоимость воды, поданной потребителям.

Задача расчета графика работы насосной станции I подъема, работающей на резервуар, решается методами нелинейного программирования. Для упрощения решения ее можно свести к задаче, решаемой методом прямого счета при выполнении следующих условий: на участке нарастания водопотребления в момент равенства подачи и потребления воды объем ее в резервуаре должен быть максимальным; на участке спада водопотребления в момент равенства подачи и потребления воды объем воды в резервуаре должен быть минимальным. Исходя из этих условий определяются моменты включения дополнительных насосных агрегатов.

Задача распределения воды по технологическим линиям заключается в определении подачи воды каждой линией так, чтобы минимизировать общую технологическую себестоимость обработки воды на станции при заданной общей подаче воды станцией и заданных технологических ограничениях на пропускную способность линии. Эта задача решается методом проекции градиента. Исходные данные получаются из решений задачи расчета оптимальных доз реагентов при различных величинах подачи воды.

Расчет оптимальных доз реагентов заключается в нахождении доз реагентов, обеспечивающих минимальное значение технологической себестоимости обработки воды при условиях, которые определяют связь между входами технологических звеньев, и учете технологических ограничений на производительность сооружений и качество обработанной воды. Задача решается методом линейного программирования. Для корректировки модели применен релаксационный алгоритм идентификации (алгоритм Качмажа).

Расчет оптимального режима работы фильтров заключается в определении подачи воды каждым фильтром так, чтобы суммарный расход воды на нужды станции за заданное время был минимальным при заданных технологических ограничениях и общей подаче воды станцией. Задача решается методом проекции градиента. Расчет производится по математическим моделям фильтров. Коэффициенты моделей корректируются с помощью алгоритма Качмажа.



Рисунок 6.1 - Общий алгоритм функционирования АСУ ТП

Решение задачи прогнозирования суточного графика вoдoпoтpeблeний в различных проектах ЛСУ ТП может осуществляться несколькими методами: построением моделей авторегрессии или проинтегрированного скользящего среднего, методом „предельных циклов" и др.

Для расчета оптимальных режимов работы насосных станций используются математические модели, связывающие напор и подачу насосных станций и давления в диктующих точках сети. Такие модули имеют вид полиномов, коэффициенты которых определяют на основе статистической обработки данных о параметрах работы системы за прошедшие две-три педели.

Для расчета оптимальных режимов работы систем с несколькими насосными станциями могут быть использованы методы линейного программирования.

Задача оптимального управления группами артезианских скважин (колодцев) предусматривает расчет для каждого часа суток необходимого числа работающих артезианских скважин с учетом их экономичности, длительности работы и уровня воды в скважинах. При увеличении водопотребления предусматривается включение наиболее экономичных скважин, а при уменьшении -- отключение наименее экономичных. Задача решается методом логического анализа.

Взаимосвязь задач АСУ ТП, последовательность, периодичность и обусловленность их решения определяются общим алгоритмом функционирования, который отражает принятую стратегию оперативного управления.

Задачи централизованного контроля должны решаться круглосуточно-непрерывно. Учетные задачи, как правило, решаются ежечасно, тогда как расчет технико-экономических показателей должен проводиться один раз в смену или один раз в сутки.

Оперативное планирование режимов производится один раз в сутки, а также при резком изменении водопотребления или условий работы водопровода. Задачи коррекции режимов решаются по мере возникновения необходимости изменения расчетного плана работы сооружений.

Управление сооружениями производится в соответствии с расчетным оперативным планом-графиком оптимального режима или в результате решения задач коррекции режима.

На блок-схеме общего алгоритма функционирования АСУ ТП водоснабжения показана взаимосвязь задач.

6.3 Алгоритм управления скважинами

Управление подземными водоисточниками (артезианскими скважинами, шахтными колодцами, лучевыми водозаборами и др.) имеет ряд особенностей и должно учитывать следующие факторы:

эксплуатационные особенности скважин (колодцев);

гидравлические условия скважин (колодцев) и аспекты совместной работы группы скважин (колодцев);

экономические показатели скважин (колодцев).

Эксплуатационные особенности накладывают ряд ограничений на работу скважин (колодцев). Необходимо избегать частых „рывков", т.е. включений и выключений скважин, так как это может привести к ссыпке песка (пескованию скважин). Во многих случаях пуск скважин связан с необходимостью кратковременного выпуска воды с примесью песка. Скважины необходимо периодически останавливать для профилактического осмотра или ремонта насоса.

Во избежание перегрузок сборного водовода и энергетических линий необходимо осуществлять пуск нескольких скважин постепенно через определенные временные интервалы (например, через 10 мин). Скважины, работающие на специальных потребителей, отключать нельзя. В шахтных колодцах, имеющих два насоса, целесообразно, чтобы один насос постоянно находился в работе, а второй включался и отключался по мере необходимости.

Необходимо обеспечить контроль уровня воды в скважинах и не допускать его снижения ниже предельно допустимого значения.

Алгоритмы управления артезианскими скважинами предусматривают разделение их на три группы:

- первая (группа А) -- скважины, работающие в настоящий момент;

- вторая (группа В) скважины, находящиеся в резерве;

- третья (группа С) скважины, находящиеся в простое (готовые кработе).

Массивы номеров скважин упорядочиваются в памяти ЭВМ по величине удельного расхода электроэнергии. При необходимости уменьшения подачи воды от водозабора необходимо исключить из массива А скважину, имеющую наибольший удельный расход электроэнергии. Номер этой скважины следует перенести из массива А в массив С. Обратные действия следует производить при необходимости увеличения подачи воды. Одновременно необходимо контролировать продолжительность работы каждой скважины с целью своевременного проведения профилактического осмотра или ремонта. При этом номер выведенной из работы скважины следует перевести из массива А в массив В.

6.4 Методы расчета оптимальных режимов работы

Структура системы подачи и распределения воды зависит от планировки города, месторасположения водоисточников, рельефа местности и других факторов. Несмотря на разнообразие схем водопроводных сетей городов, можно выделить ряд типовых элементов, из которых складывается структура большинства систем подачи и распределения воды:

а) насосная станция питает изолированную зону;

б) несколько насосных станций питают общую зону;

в) насосная станция подает воду в сеть и резервуар;

г) насосная станция питает сеть и несколько резервуаров;

д) насосная станция питает сеть, резервуар и насосную станцию следующей зоны.

Алгоритм расчета оптимального режима работы каждой конкретной системы подачи и распределения воды имеет индивидуальный характер и строится на сочетании алгоритмов управления типовыми элементами, входящими в состав данного водопровода.

Наиболее сложными и важными являются задачи оперативного планирования оптимальных режимов. Трудность таких расчетов связана с необходимостью построения математических моделей системы подачи и распределения воды и прогнозирования колебаний водопотребления на предстоящий период.

Анализ задач оперативного управления показал, что для расчета оптимальных режимов работы насосных станций в большинстве случаев нецелесообразно производить гидравлический расчет водопроводных сетей и использовать принятые при проектировании традиционные модели потокораспределения -- расчетные схемы сетей. Это объясняется трудностью получения данных о фактических и требуемых значениях узловых расходов для каждого часа предстоящих суток, а также чрезмерно большими для оперативного управления затратами машинного времени на проведение расчетов даже при использовании мощных современных ЭВМ.

Гидравлический расчет следует производить при анализе нагруженности различных магистралей водопроводной сети, при поиске наивыгоднейших вариантов развития сетей, перераспределения водопотоков при использовании управляемых задвижек или поворотных затворов на магистралях, а также при анализе аварийных ситуаций на сети и поиске вариантов локализации аварий или минимизации недоотпуска воды при отключении аварийных участков и др.

Для выбора оптимальных режимов работы насосных станций требуются только данные о напорах на насосных станциях и в диктующих точках сети. В то же время основная часть информации, получаемой при гидравлическом расчете (о потерях напора и расходах по участкам), при этом не используется и является избыточной.

В связи с этим для расчета оптимальных режимов работы насосных станций рекомендуется использовать обобщенные математические модели, выражающие взаимосвязь напора Нн.ст и подачи Qн.ст воды насосной станции с давлением в диктующей точке сети Ндт:

Нн.ст = Нд.т + а + b Qн.ст + с Q2н.ст,

где а, b, с коэффициенты, полученные в результате статистической обработки данных о параметрах работы насосных станций и водопроводной сети.

В ряде случаев характеристика сети достаточно хорошо описывается простой линейной моделью:

Нн.ст = Нд.т + а + b Qн.ст.

Использование математических моделей указанного вида существенно облегчает расчет оптимальных режимов насосных станций при достаточной для практических целей точности решения. В целях повышения точности целесообразно производить периодическое уточнение моделей, т.е. программа расчета должна включать блок идентификации параметров .модели.

Важной особенностью оперативного планирования является необходимость учета колебаний водопотребления в течение предстоящих суток. Водопотребление носит случайный характер, поэтому при планировании режимов необходимо осуществлять расчет по прогнозированию этого процесса на основе данных о подаче воды насосными станциями за прошедший период.

Оперативное планирование режимов работы насосной станции рекомендуются осуществлять путем декомпозиции этой задачи на ряд последовательно решаемых подзадач. При этом планируемый период разделяется на отрезки времени, в течение которых водопотребление принимается неизвестным и непрерывный график водопотребления заменяется дискретным (например, почасовым).

Оперативное планирование производится в такой последовательности:

- расчет прогнозированного почасового графика водопотребления на предстоящие сутки;

- расчет оптимальных параметров работы насосных станций (подачи, напора) для каждого часа предстоящих суток;

- выбор оптимального состава работающих насосов для каждого часа суток.

В настоящее время разработаны алгоритмы и программы решения задач прогнозирования, выбора оптимального состава насосов, а также расчета оптимальных параметров работы насосных станций для ряда характерных структур систем подачи и распределения воды, сетей с одной или несколькими насосными станциями, сетей с насосными станциями и резервуарами, сетей с резервуарами и др.

В некоторых алгоритмах предусматривается одновременное решение задач расчета оптимальных параметров работы насосных станций и выбора оптимального состава работающих насосов.

7. 

7. Разработка проектной документации на автоматизированную систему управления

7.1 Описание схемы автоматизации

В данной работе рассматривается система водоснабжения, которая включает в себя три удаленных друг от друга помещения. Два помещения представляют из себя насосные первого подъема, в которых размещаются дренажные насосы. В каждом из таких помещений находится по три дренажных насоса, которые приводятся в работу с помощью устройств плавного пуска Siemens Sirius 3RW40. Устройство плавного пуска позволяют предотвратить броски тока и снизить нагрузку на трубопровод, тем самым продлевая срок службы насосов и уменьшая вероятность возникновения прорыва водопровода.

Каждая скважина оснащена модулями аналогового ввода ОВЕН МВА8 и модулями цифрового ввода-вывода ОВЕН МДВВ. Данные модули объединены в сеть с контроллером ОВЕН ПЛК150 с помощью интерфейса RS-485, который позволяет обмениваться данными на расстояниях до 1 километра. Управление данными блоками ввода-вывода полностью возлагается на программируемый логический контроллер. Для контроля уровня воды каждая скважина оснащается кондуктометрическим датчиком уровня, который сигнализирует о низком уровне воды в скважине. Данный сигнал поступает на модуль ввода МВА8, что делает его доступным для контроллера, который исходя из этого сигнала подает предупреждающие сигналы оператору и останавливает соответствующий дренажный насос для предотвращения сухого хода. Так же на водопроводе каждой скважины установлен датчик давления, который позволяет определить наличие воды и давление, создаваемое ею в водопроводе, что является необходимой информацией с точки зрения автоматического управления. На выходе из каждой скважины в начале трубопровода установлен обратный клапан, который делает невозможным движение воды в обратном направлении.

Вода, забираемая дренажными насосами из скважины поступает в общий резервуар. Данный резервуар оборудован тремя кондуктометрическими датчиками уровня, которые позволяют судить об уровне воды в резервуаре и предотвратить его опустошение или переполнение.

Задача подачи воды непосредственно потребителям возлагается на сетевые насосы, которые находятся в том же здании, где находится диспетчерский пункт. Сетевые насосы работают с резервированием, что позволяет повысить коэффициент надежности. Каждый сетевой насос работает через частотный преобразователь. Все частотные преобразователи подключены к контроллеру и управляются им. Это позволяет реализовать оптимальные алгоритмы управления, которые могут продлить ресурс оборудования и понизить вероятность его выхода из строя.

В конце общего трубопровода установлены датчик давления и расходомер. Давление в трубопроводе потребителя является основной регулируемой величиной. Поддержание оптимального давления позволяет снизить расход воды и электричества, что положительно влияет на экономические показатели. Расходомер позволяет вести учет воды, что является необходимым в данной системе.

7.2 Описание схемы регулирования

Схема регулирования описывает способы подключения всех устройств и соединения их воедино. На разработанной схеме представлены все технические средства, используемые для автоматизации данного технологического процесса. Так как некоторые компоненты системы удалены друг от друга на расстояния больше 100 метров, встает проблема соединения всех устройств воедино. Для достижения поставленной цели используется интерфейс RS-485, который позволяет соединить программируемый логический контроллер и модули ввода и вывода воедино. Это дает возможность работать с данными удаленных датчиков так же, как и с локальными. Для соединения устройств используется топология «шина». Контроллер является ведущим устройством, а остальные компоненты системы, такие как модули ввода и вывода - ведомыми.

На схеме регулирования можно увидеть линии подведения питания. Здесь используется трехфазное напряжение для подключения устройств плавного пуска и частотных преобразователей, которое, соответственно, подают его на дренажные и сетевые насосы.

Устройства плавного пуска управляются дискретным сигналом, вырабатываемым модулем ввода-вывода. Информация о состоянии устройства плавного пуска так же поступает на вход данного модуля. Информация такого рода выводится на дисплей оператора, тем самым обеспечивая наглядный контроль за исправностью системы. Частотные преобразователи работают с сетевыми насосами по такой же схеме. Датчики давления и уровня подключаются к модулю ввода МВА8 и передают данные по сети RS-485 главному контроллеру.

7.3 Описание схемы сигнализации

Каждая автоматизированная система управления должна предусматривать световую и звуковую сигнализации, которые позволяют своевременно извещать оператора о внештатных ситуациях, так как уровень ущерба сильно зависит от, насколько быстро будут приняты соответствующие меры по устранению проблемы.

Система сигнализации в данной системе водоснабжения представляет собой ряд световых и звуковых сигналов, подаваемых при возникновении внештатной ситуации. К там ситуациям относятся:

- низкий уровень воды в скважине;

- низкий уровень воды в резервуаре;

- высокий уровень воды в резервуаре;

- низкое давление в трубопроводе потребителя;

- высокое давление в трубопроводе потребителя;

- отсутствие потока воды на входе в водобак;

При возникновении одной из перечисленных ситуаций загорается соответствующая сигнальная лампа на щите автоматики. При возникновении критических ситуаций, к которым относятся отсутствие потока воды в водопроводе подается звуковой сигнал. Так же в системе есть две сигнальных лампы, которые сигнализируют о наличии одной из проблем и являются дублирующими.

Программируемый логический контроллер позволяет сильно упростить реализацию системы сигнализации. На вход контроллера поступают сигналы с датчиков системы и, на основании этих данных, контроллер вырабатывает управляющие сигналы для включения соответствующих световых и звуковых индикаторов.

7.4 Описание схемы питания

Рассматриваемая система водоснабжения использует трехфазное питание с напряжением сети 380 вольт. Необходимость использования трехфазного питания обусловлена использованием мощных дренажных и сетевых насосов. Разработанная схема питания описывает подключение технических средств к электросети.

В данной схеме питания используются автоматические выключатели разных номиналов, которые позволяют защитить оборудования от короткого замыкания. Так же здесь используются предохранители в качестве дополнительной меры защиты.

Для устройств, которые работают от напряжения 24 В используются специальные блоки питания.

На щите автоматике присутствует отдельная сигнальная лампа, которая показывает наличие напряжения в сети.

7.5 Описания схемы подключения внешних проводок

Схемы подключения внешних проводок показывают способ соединения технических средств. В данной автоматизированной системе управления используются двухконтактные датчики уровня и давления. Для их подключения используется двухжильный кабель, выбранный в соответствии с типом производства и категорией помещений. Каждый датчик находится на разном расстоянии от модуля ввода. Данные о длине кабеля отражены на разработанной схеме. Всего на схеме присутствует 8 удаленных друг от друга точек крепления датчиков - шесть мест установки дренажных насосов, водобак и выход в водопровод потребителя.

7.6 Описание схемы щита

Схема щита описывает расположение оборудования в главном щите автоматике. Данный щит находится в одном здании вместе с сетевыми насосами второго подъема и помещением диспетчерской.

В качестве щита используется продукция российской фирмы Проминэкс, а именно модель ЩРН-36. Данная модель имеет следующие габариты: ширина 520 мм, высота 310 мм, глубина 120 мм. Данный щит вмещает в себя следующие технические средства:

- выключатель положения дверей;

- лампа освещения;

- программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК150;

- модуль аналогового ввода ОВЕН МВА8;

- модуль дискретного вывода ОВЕН МК110;

- модуль дискретного ввода-вывода ОВЕН МДВВ;

- автоматические выключатели ABB серии S800;

- лампы сигнальные.

Автоматические выключатели позволяют отключить как все питание, так и каждого отдельного прибора в частности.

Сигнальные лампы выполняют функции индикации внештатных ситуаций, а так же наличия питания в сети.

7.7 Описание структурной схемы

Структурная схема системы водоснабжения описывает расположение оборудования в помещениях. Всего на территории находится три помещения категории Д. Данные помещения находятся на расстояниях от 200 до 400 метров друг от друга.

Два здания представляют собой насосные станции первого подъема. В каждой из таких станций располагается группа из трех дренажных насосов, которые производят забор воды из скважин. В каждом из этих помещений находится шкаф управления насосами, который содержит в себе модули аналогового ввода и дискретного ввода-вывода. Так же в помещениях находятся устройства плавного пуска, которые непосредственно подключаются к дренажным насосам и управляются управляющими сигналами, поступающими с модулей дискретного вывода. Так же устройства плавного пуска передают сигналы о своем состоянии на модули ввода, что позволяет отслеживать исправность работы насосов с единого диспетчерского пункта.

Третье здание представляет собой одновременно насосную второго подъема и диспетчерский пункт. В данном помещении находится основной шкаф управления, который включает в себя главный контроллер, а так же модули ввода-вывода. Так же здесь находятся сетевые насосы, которые приводятся в действие частотными преобразователями, которые в свою очередь получают управляющие сигналы от главного контроллера. Два насоса являются резервными и включаются в работу только при выходе основных насосов из строя.