Для специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение»

«Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения»

Для специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение»

«Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения»

для специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение»

/ Сост.: Темников А.В.; СибГИУ. – Новокузнецк, 2012. – 35 с., ил.

Тезисы лекций предлагаются студентам специальности 270112 для освоения курса «Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения» всех форм обучения.

Дисциплина «Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения» относится к специальным дисциплинам федерального компонента специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение». Качество технологических процессов и жизни граждан во многом зависит от успешного решения задач водоснабжения и водоотведения.

Внедрение автоматизации водопроводных и канализационных сооружений требует участия в этой работе не только специалистов по методам и средствам автоматики, но и инженерно-технических работников, которые проектируют и эксплуатируют данные сооружения. Эффективное использование автоматики возможно лишь на хорошо отлаженных технологических процессах. Для правильного выбора степени, объема и уровня автоматизации большое значение имеет выявление закономерностей протекания этих процессов в сооружениях.

Основные задачи курса – определить рациональные направления и принципы автоматизации водоснабжения и водоотведения на основе выявленных закономерностей технологических процессов, изучить оборудование, используемое для управления и регулирования этих технологических процессов, научить работать на данном оборудовании.

Конечная цель дисциплины – подготовка специалиста в области использования систем автоматизации водоснабжения и водоотведения.

Освоение курса предполагает знание студентами основ электротехники и проектирования современных сооружений и оборудования систем водоснабжения и канализации на основе комплексной механизации технологических процессов.

Основы автоматики и контроль параметров электрических и технологических процессов

К основным видам автоматических устройств, используемым в водоснабжении и водоотведении, можно отнести: дистанционное управление, телеуправление, автоматический контроль, технологическую сигнализацию, автоматическую защиту и блокировку, автоматическое регулирование и управление.

Автоматизация от автоматического управления отличается участием человека в управлении.

Под дистанционным управлением в водоснабжении и водоотведении (ВиВ) понимается ручное управление на расстоянии регулирующими и запорными органами или отдельными механизмами, которое выполняется гидравлическим, пневматическим или электрическим способом. Телеуправление – управление на значительном расстоянии различными объектами с помощью телемеханических систем (ТМС). Они же выполняют функции телеизмерения (ТИ), телесигнализации (ТС), телерегулирования (ТР). С помощью измерительных систем можно выполнить измерение любой физической величины, которая после преобразований в электрический сигнал может быть передана на значительное расстояние на устройствах ТМС. Измерение параметров объекта ВиВ является основой для их регулирования, в том числе, и средствами ТР. Контроль за состоянием объекта ВиВ и отдельного оборудования выполняет технологическая сигнализация, включая и ТС.

Для обеспечения нормальной работы оборудования ВиВ, его защиты от ненормальных режимов и повреждений используется релейная защита и автоматика (РЗА). Функции РЗА в микропроцессорном исполнении увеличились многократно: от автоматических блокировок, защиты и управления до мониторинга питающей сети и состояния оборудования.

При автоматическом регулировании параметров объекта ВиВ используются разнообразные системы автоматического регулирования (САР), в стандартный состав которых входит сам объект с его параметрами, измерительная система для регулируемых параметров, система управления и силовые исполнительные устройства.

Регулируемыми параметрами объекта ВиВ могут быть напор и производительность насосных агрегатов, давление в трубопроводе, уровень воды в резервуаре, температура воды, химический состав и мутность воды, положение объекта в пространстве и его перемещение и т.д.

Система измерения регулируемых параметров строится, прежде всего, на датчиках электрической и неэлектрической природы. Датчики линейного и углового перемещения: потенциометрические, индуктивные и индукционные, емкостные, сельсины и индуктосины. Датчики температуры: манометрические, сопротивления, термоэлектрические. Датчики давления: манометрические, дифференциальные манометрические. Датчики уровня: поплавковые, манометрические, фотоэлектрические, электродные, радиоизотопные. Датчики расхода жидкостей, газов и пара. Датчики скорости. Тензодатчики. Датчики тока и напряжения. Интеллектуальные датчики. Рассмотрим некоторые из них.

Датчики – чувствительный элемент «АУ», воспринимающий контролируемую величину и преобразующий её в сигнал, удобный и достаточный для передачи на расстояние и для воздействия не исполнительные устройства «АУ»

Датчики могут быть параметрические и генераторные как электрические датчики.

В параметрических изменение величины неэлектрической природы преобразуется в изменение параметра электрической цепи: активное, индуктивное, ёмкостное сопротивление.

В генераторных изменение неэлектрической величины преобразуется в электродвижущую силу.

Датчики могут быть пневматические, в котором преобразуется изменение результирующего параметра в выходной сигнал в виде давления сжатого воздуха.

где

– приращение (изменение) выходной величины;

– приращение (изменение) входной величины.

Преобразуют линейное или угловое перемещение в изменение индуктивного сопротивления катушки.

где

– магнитная проницаемость воздушного зазора;

– площадь поперечного сечения воздушного зазора;

– воздушный зазор между якорем 1 и сердечником 2.

При изменении воздушного зазора меняется ток I за счёт изменения индуктивного сопротивления катушки. Параметры датчика стремятся рассчитать так, чтобы использовать только линейную часть зависимости тока от воздушного зазора I = f (δ).

Дифференциальный индуктивный датчик состоит из двух катушек с общим якорем, включённых встречно по отношению друг к другу

При среднем положении якоря L₁ = L₂ и U_вых = 0. При изменении положения якоря U_вых ≠ 0.

Осуществляется преобразование линейного или углового перемещения рабочего механизма в изменение емкости конденсатора. На рисунке 5 изображены: 1 – подвижная пластина; 2, 3 – неподвижные пластины.

Меняя положение пластин, меняем ёмкость и соответственно напряжение U_вых

Обладают слабой чувствительностью при f =50 Гц и хорошей при f =1000 Гц и выше.

Рисунок 5 – Плоский конденсатор как емкостный датчик

Используется для измерения перемещений более 1мм.

Рисунок 6 – Пластинчатый поворотный конденсатор

где S – активная площадь конденсатора при α = 0; α – угловое перемещение, град.; d – диаметр пластин, м.

где r_1,r₂– радиусы внутренний и наружный цилиндров 1 и 2.

1. ДТ и ДН – датчик тока и напряжения может быть аналоговым и цифровым.

Функции – преобразование входной величины в виде тока или напряжения в выходной сигнал, пропорциональный входной величине.

На рисунке 8: ВЦ – вводная цепь; ПР – потенциальный разделитель; ВыхY – вых. усилитель; M – модулятор; ДТ – демодулятор; ГТИ - генератор импульсов; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; N_вых – цифровой выход сигнала.

Собственно датчиком является вводная цепь (ВЦ), которая может быть в виде делителя напряжения, шунта, трансформаторов напряжения или тока с выпрямителем.

где K_У – коэффициент усиления входного усилителя;

Цифровой датчик угла выполняется на основе кодового диска или индуктосина. /Дать комментарий по конструкции кодового диска [2] и индуктосина/

Электродные датчики уровня удобны, если среда, уровень которой измеряется, обладает проводимостью. Для организации такого датчика используется один электрод под названием базовый, который располагается на самом низком измеряемом уровне, и электроды, которые располагаются на уровнях выше базового электрода.

Рисунок 12 – Базовый электрод Э₀ и электрод уровня Э₁ в электродном датчике уровня

Преобразование угловой скорости двигателя или скорости движения рабочего органа механизма в электрический сигнал. организация обратной стявзи по скорости для АЭП. ТГ – микромашина постоянного или переменного тока.

Данная тема может быть освоена с помощью [1, с. 170-177; 3, с. 92-115]. Классификация САР и автоматических регуляторов помогает пользователю правильно выбрать как систему, так и регулятор с позиции анализа объекта регулирования. В качестве объектов рекомендуется выбрать резервуар с водой и трубопровод. Параметрами регулирования могут быть температура, давление в трубопроводе, уровень воды в резервуаре.

- стабилизирующие (параметр регулирования поддерживается на заданном уровне);

- программируемые (параметр регулирования изменяется по заданному закону);

- следящие (параметр регулирования изменяется в зависимости от изменения внешних факторов, значения величин которых заранее неизвестны);

- самонастраивающиеся (значения параметров регулирования поддерживаются на оптимальном с позиции заданного критерия уровне).

В САР используются два основных принципа регулирования:

- по отклонению (с помощью регулирующих воздействий свести отклонение параметра от заданного к нулю);

- по возмущению (при регулировании учитывается влияние среды или режима, параметры которого заранее неизвестны).

- по целевому назначению (температуры, скорости, давления, расхода материала, уровня воды);

- по способу воздействия (прямого, косвенного);

- по виду используемой энергии (электрические, пневматические, гидравлические, механические);

- по роду действия (непрерывные, дискретные);

- по характеру регулирующего воздействия (астатический, статический, изодромный).

Объекты регулирования характеризуется устойчивостью и емкостью, самовыравниванием, временем разгона и постоянной времени, запаздыванием.

Объекты могут накапливать энергию, жидкость, газ, тепло; влажность среды, расположение объекта, концентрация веществ – все это может оказаться параметром регулирования для объекта. В процессе работы объекта происходит нарушение равновесия между приходом и расходом вещества или энергии. Емкость объекта тесно связана с приходом и расходом. Нарушение баланса может привести к нарушению устойчивости работы объекта, поэтому при изменении параметров объекта стремятся либо увеличить емкость объекта, либо реализовать функцию САР в виде саморегулирования параметров объекта. В некоторых случаях, когда емкость объекта достаточно велика, степень самовыравнивания может оказаться такой, что отпадает необходимость в регуляторе. Рассмотрим это на примере резервуара с водой (рисунок 17). Здесь V1 и V₂ – соответственно скорость подачи и стока воды в резервуаре, Н и Н₁ – уровни воды в резервуаре. При увеличении V₁ растет уровень Н до уровня Н₁. Увеличение гидростатического давления воды приводит к увеличению скорости V₂. Через время t, если позволит V₁, V₂ и объем объекта, установится новый уровень Н, который меняться не будет. Это значит, что подача воды равна стоку (рисунок 18).

Рисунок 18 – Способность к самовыравниванию

Способность объекта к самовыравниванию определяется степенью самовыравнивания

При ρ ≥ 25 регулятор может не потребоваться. Время разгона Т_а и время самовыравнивания τ объекта связаны с чувствительностью объекта ε к регулированию: ε = 1/Т_а и τ = 2Т_а/ρ.

Для отработки силового воздействия на объект САР требуется регулирующий или управляющий орган в виде регулирующего или исполнительного механизма.

К регулирующим механизмам в ВиВ относят клапаны, вентили, шиберы, задвижки, заслонки, питатели, реостаты, автотрансформаторы и т.д. К исполнительным – электродвигатели, электромагниты, гидравлические и пневматические механизмы.

Линейным или угловым перемещением на выходе.

- величиной перестановочного усилия, необходимого для перемещения регулирующего органа;

- скоростью перемещения регулирующего органа;

- зависимостью изменения расхода регулируемой среды от перемещения регулирующего органа.

Конструктивно исполнительные механизмы выполняют поршневыми, электромагнитными, мембранными, сильфонными, электромоторными, комбинированными. По характеру перемещения регулирующего органа исполнительные механизмы делят на две группы: механизмы с постоянной скоростью и механизмы с пропорциональной входной величине скоростью. Само перемещение может быть организовано как возвратно-поступательное, так и вращательное. Для САР чаще всего используют исполнительные механизмы на основе электродвигателей и электромагнитов.

Электромоторные исполнительные механизмы: ИМ-2/120 до ИМТ-25/120, где Т – наличие тормоза, первая цифра – М_н на выходном валу (кГс∙м), вторая цифра – номинальное время одного оборота выходного вала (с). Исполнительные моторные механизмы малой мощности выпускаются для двухпозиционного механизма типа ДР, для реализации пропорциального регулирования типа ПР. Электромагнитный механизм можно использовать для управления механизмом открытия и закрытия клапана.

Группа пневматических исполнительных механизмов включает в себя мембранные, сильфонные и поршневые механизмы. Чаще всего они объединены с клапаном: МИМ – для двухпозиционного и пропорционального регулирования, РКУТ – для пропорционального регулирования, ПРК – для малых расходов.

Исполнение и назначение регулирующих органов ВиВ: краны – пробковые, муфтовые, фланцевые, одно-и многоходовые; вентили – муфтовые, фланцевые, цапковые (используются для регулирования расхода жидкости в трубах диаметром до 200 мм); задвижки – параллельные и клиновые с выдвижным или не выдвижным шпинделем (снабжены электро-или гидроприводом); клапаны – используются в водопроводных и канализационных сооружениях для регулирования расхода реагентов в виде растворов и суспензий; заслонки – применяются для регулирования расхода жидкости, воздуха и газа, когда их рабочее давление невелико; шиберы – для регулирования расхода жидкости в открытых каналах, другое название – затворы поворотные или щитовые.

Рассмотрим работу регулятора дискретного действия на примере регулятора температуры воды в резервуаре (рисунок 19).

Рисунок 19 – Дискретный регулятор температуры воды в резервуаре

На рисунке 19 приняты следующие обозначения: МТ – манометрический термометр; КМ – магнитный пускатель; К – реле управления; УК – стрелка манометра, которая при увеличении температуры может занимать вначале положение «Ж», а затем и «К».

При включении магнитного пускателя начинается нагрев воды в баке нагревателем 2. Увеличение температуры воды вызовет движение стрелки УК вначале до уровня «Ж», при котором включается контакт МТ-Ж в цепи управления реле К и подготавливается цепь самоподпитки реле К. Когда температура достигнет уровня «К», замыкается контакт МТ-К и запитывается катушка реле К. Реле срабатывает и становится на самоподпитку по цепи: «+» - «МТ-Ж» - «К:1» - «К» - «-». Одновременно размыкается контакт «К:2» и КМ отключается, тем самым прекращая работу нагревателя 2. Температура воды в баке падает и стрелка УК вначале проходит положение «Ж», а затем становится и в положение левее уровня «Ж». В этот момент контакт МТ-Ж размыкается, обесточивая реле К. Контакт «К:1» размыкается, снимая цепь самоподпитки, а «К:2» замыкается, включая КМ и нагреватель. Вода в баке вновь начинает нагреваться до уровня «Ж», а затем и «К».

Рассмотрим работу регулятора непрерывного действия на примере астатического регулятора давления воды в трубопроводе (рисунок 20). Такой регулятор поддерживает постоянное значение давления воды в трубопроводе и имеет только одну точку устойчивости и равновесия. Происходит стабилизация заданного пользователем давления воды в трубопроводе.

Рисунок 20 – Астатический регулятор давления воды в трубопроводе

На рисунке 20 приведены следующие обозначения: 1 – трубопровод; 2 – двухседельный клапан; 3 – груз, имеющий постоянную величину и организующий давление Р_гр; 4 – дифманометр, измеряющий разность давлений Р₁ и Р₂ в трубопроводе до и после клапана; 5 – регулирующий шток длиной

Клапан является регулирующим органом, на который воздействуют две силы: Р₂ и Р_гр. При их равенстве клапан находится в начальном положении.

Если Р₂ > Р_гр, то мембрана дифманометра уходит вниз, перемещая с помощью штока запорные органы клапана вниз. Давление воды Р₂ уменьшается. В случае Р₁ > Р_гр происходит обратное и давление Р₂ увеличивается. Таким образом, давление Р₂ стабилизируется относительно Р₁. Регулятор хорош при инерционности объекта регулирования и относительно медленном изменении параметров регулируемой среды.

где

– регулирующее воздействие, организованное перемещением штока;

– начальное положение штока; Δх – входное воздействие со стороны Р₁ или Р₂; Т_им – время, в течение которого исполнительный механизм переводит регулирующий орган в крайнее по

положения.

Регулятор, имеющий такую характеристику, называют интегральным. При быстрых изменениях параметров регулируемой среды такой регулятор может работать неустойчиво, поскольку имеет только одну точку равновесия. Этого недостатка не имеет статический регулятор, в котором груз 3 заменен на пружину, конструктивно расположенную на штоке. При сжатии пружины сила упругости пружины возрастает, т.е. давление пружины – величина переменная в отличии от давлении груза. Это значит, что в данном регуляторе можно иметь несколько точек равновесия при Р₁ = Р₂. Тогда регулятор становится пропорциональным:

Для получения дополнительных положительных свойств в САР вводят обратные положительные или отрицательные связи по параметрам регулирования.

1. Попкович Г.С. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения / Г.С. Попкович, М.А. Гордеев. – М.: Высшая школа, 1986. – 392 с.: ил.

2. Рульнов А.А. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения / А.А. Рульнов, К.Ю. Евстафьев. – М: Инфра-М, 2010. – 208 с.: ил.

3. Исследование логических элементов и схем: Методические указания / Сост.: Темников А.В., Игнатенко О.А.; СибГИУ. – Новокузнецк, 2012. – 22с., ил.

4. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. / В.М. Терехов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 224 с., ил.

5. Internet: Сайты предприятий водоснабжения и водоотведения

«Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения»

для специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение»

«Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения»

для специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение»

/ Сост.: Темников А.В.; СибГИУ. – Новокузнецк, 2012. – 35 с., ил.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: