Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения

В основные функции автоматических устройств насосных станций как основного объекта автоматизации систем ВиВ могут быть включены функции:

- формирования и передачи импульсов на пуск и останов агрегатов;

- формирования временной программы пуска и останова агрегатов;

- создания и поддержания необходимого разрежения во всасывающем трубопроводе и насосе, если он не находится под заливом, перед пуском и во время работы;

- включения и отключения насосов в определенной последовательности;

- регулирования напора и производительности насосных агрегатов;

- защита агрегатов от ненормальных режимов и повреждений;

- контроль и сигнализация о режимах и состоянии агрегатов с отображением их на диспетчерских щитах;

- резервирования насосных станций.

На рисунке 21 отражена общая схема автоматизации насосной станции. Для ее реализации необходимо использовать как автоматическое управление отдельными агрегатами, так и регулирование процессов, происходящих на станции. Управление двигателями насосов может быть простейшим на основе релейно-контакторных схем (рисунок 22) и сложным на основе микропроцессорных схем – это зависит от задач, которые ставятся перед системой управления насосами. В настоящее время для электроприводов насосов рекомендуется использовать систему управления «частотный преобразователь-двигатель», основное преимущество которой заключается в энергосбережении при высоких технических характеристиках частотного электропривода.

Рисунок 21 – Общая схема автоматизации насосной станции

На рисунке 22 приведены следующие обозначения: QF – автоматический выключатель; М – двигатель; КК1 и КК2 – тепловые реле; КМ – магнитный пускатель; SB1 и SB2 – кнопки «СТОП» и «ПУСК».

Для пуска трехфазного асинхронного двигателя нажимают кнопку «ПУСК». В результате запитывается катушка магнитного пускателя КМ по цепи: фаза – кнопки «СТОП» и «ПУСК» – замкнутые контакты реле КК1 и КК2 – катушка КМ – «ноль (земля)». В силовой цепи замыкаются линейные контакты КМ.1, а в цепи кнопки «ПУСК» – блок-контакт магнитного пускателя КМ.2. Через контакт КМ.2 катушка КМ становится на самоподпитку, поэтому кнопку «ПУСК», которая выполнена с самовозвратом, можно отпустить. Двигатель запускается. Для отключения М надо разорвать цепь самоподпитки путем нажатия на кнопку «СТОП» или разрыва одного из контактов тепловых реле КК1 или КК2.

Рисунок 22 – Релейно-контакторная схема управления и защиты асинхронного двигателя

В системах управления двигателями насосов множество устройств под общим названием «пускорегулирующие и контролирующие аппараты»: КМ – магнитный пускатель и контактор; КL – промежуточное реле; KH – указательное реле; КТ – реле времени; КК – тепловое реле; КА – реле тока; KV – реле напряжения; резисторы R и потенциометры RP, станции и ключи управления SA. На смену контактным устройствам в управлении приходят бесконтактные и микропроцессорные, имеющие гораздо большие возможности. Рассмотрим схему управления двигателем насоса в функции регулирования уровня воды в резервуаре в релейно-контакторном исполнении (рисунок 23).

На рисунке 23 приведены обозначения: Э₀, Э₁, Э₂, Э₃ – электродный датчик уровня воды в резервуаре, где Э₀ – базовый электрод; РА – реле, регистрирующее аварию на объекте; РУ – реле уровня; РПУ – реле переливного уровня; СР – контакт срабатывания токовых защит двигателя М; ЭП – контакт электродного датчика уровня в приямке насосной станции; Т – трансформатор питания оперативных цепей управления защитой и автоматикой двигателя; h_max и h_min – максимальный и минимальный допустимый уровень воды в резервуаре.

Станция управления SA позволяет схеме работать в ручном «Р» и автоматическом «А» режиме. Для включения двигателя насоса в ручном режиме надо нажать на кнопку S2 (ПУСК), а в автоматическом – перевести SA в положение «А». Катушка КМ запитывается и двигатель М запускается через линейные контакты пускателя КМ.

Рисунок 23 – Схема управления трехфазным двигателем насоса в функции уровня воды в резервуаре в релейно-контакторном исполнении

Уровень воды в резервуаре начинает повышаться. При достижении уровня h_max срабатывает реле РУ и размыкает свои контакты в цепи питания КМ в автоматическом режиме, а в ручном эту операцию выполняет оператор,нажимая на кнопку S1 «СТОП». Если РУ отказало в автоматическом режиме или оператор не сработал, то уровень воды достигает переливного уровня. Тогда срабатывает реле РПУ от электрода Э₃ и замыкает свои контакты в цепи реле РА, которое разрывает свои контакты в цепи питания КМ. Пускатель КМ обесточивается, а двигатель насоса отключается от питающей сети и останавливается. Остановка двигателя наблюдается при появлении воды в приямке насосной, а также от срабатывания токовых (замыкается контакт СР) или тепловых (размыкаются контакты КК1, КК2) защит двигателя.

В автоматическом режиме при возврате в исходное положение контактов КК1 и КК2 понижение уровня воды до h_min вызовет включение двигателя насоса. Уровень воды вновь начинает повышаться. Все повторяется вновь.

При управлении насосами может оказаться важным последовательность включения насосов. Покажем это на примере бесконтактного управления двумя насосами в функции уровня воды в резервуаре (рисунок 24 и 25). В таблице 1 приведены логические элементы логики «Т» и их функции, которые использованы в бесконтактном управлении насосами.

Таблица 1 – Логические элементы

Логическая функция	Графическое изображение элемента и его функция	Тип элемента в системе «логика-Т»
1. « НЕ»	х y = x	Т – 101
& 2. «И»	x1 y = x1 × x2 x2	T – 107
3. «ИЛИ»	x1 y = x1 + x2 x2	Т – 106

Продолжение таблицы 1

	& 4. «И – НЕ»	x1 y = x1 × x2 x2	_
5. «ИЛИ – НЕ»	x1 y = x1 +x2 x2	Т – 101
S T   R 6. RS - триггер (память)	x1 y x2	Т – 102 Т – 103
7. Задержка	x1 у x2	Т – 302 Т – 303 (1,0…10с) Т – 304 (9,0…100с)
8. Усилитель выходной	x y	Т – 402 (3 Вт) Т – 403 (10 Вт) Т – 404 (30 Вт) Т – 405 (100 Вт)
9. Согласующий элемент	220V	Т – 201
10. Усилитель согласования	х y 220 V	Т – 401 (40мА, 12V)
11. Равнозначность	x1 = y=x1 x2 x2	_
12.Неравнозначность	x1 y=x1 x2 x2	_

На рисунке 24 и 25 изображены схема управления двумя насосами и резервуар с водой. Единичный сигнал от датчиков Э1, Э2, Э3 электродного датчика уровня поступит в схему управления насосами только тогда, когда уровень воды в резервуаре достигнет уровня электродов соответственно Э1, Э2, Э3.

В начальном положении схемы тумблеры «1 ИЛИ» и «2 ИЛИ» и «CC» используются для ручного управления насосами. Рассмотрим работу схемы в автоматическом режиме при условии, что вода находится на уровне электрода Э2.

При снижении уровня воды и полном оголении электрода Э2 должен включиться рабочий насос 1. Если уровень воды продолжает снижаться и оголится электрод Э3, то должен включиться дополнительно резервный насос 2, в результате чего появится звуковой сигнал «ЗВ». Для снятия звукового сигнала необходимо включить тумблер снятия сигнала (СС). При работе насосов наблюдается повышение уровня воды в резервуаре до тех пор, пока уровень воды не достигнет электрода Э1. Тогда оба насоса должны быть отключены схемой управления.

Рисунок 24 – Бесконтактное управление логикой включения насосов

Рисунок 25 – Схема управления двумя насосами в функции уровня воды в резервуаре

При автоматизации насоса на напорном трубопроводе устанавливают задвижку с электроприводом переменного или постоянного тока и реверсивным магнитным пускателем. Для определения момента полного открытия или закрытия задвижки устанавливают концевые выключатели.

Открытие напорной задвижки происходит после получения импульса на включение насоса при замыкании контактов реле контроля заливки насоса. Практика показала, что при ранее стандартной схеме пуска насоса, а затем открытия задвижки существует возможность заклинивания задвижки. Поэтому в настоящее время принята следующая последовательность: пуск насоса производится только тогда, когда задвижка откроется на 3…5% полного открытия. Это выполняется с помощью концевых выключателей. Рассмотрим схему управления задвижкой на основе фрагмента полной схемы управления задвижкой (рисунок 26).

Рисунок 26 – Фрагмент схемы управления задвижкой

На рисунке 26: РП и РО – контакты реле пуска и реле отключения; КОЗ и КЗЗ – соответственно пускатели и контакты открытия и закрытия задвижки; КВО и КВЗ – концевые выключатели положения «открыто» и «закрыто» для задвижки; SO и S1 – кнопки открыть и закрыть задвижку.

Управление задвижкой может быть ручным «Р» и автоматическим «А». При установке SA в положение «А» реле РП замыкает свой контакт в цепи катушки КОЗ, заставляя пускатель сработать на открытие задвижки. Одновременно с помощью контакта КОЗ блокируется цепь питания катушки КЗЗ. Это позволяет блокировать работу пускателя на закрытие задвижки при работе схемы управления на ее открытие. Электропривод задвижки открывается полностью, заставляя сработать концевой выключатель КВО, который разрывает цепь питания КОЗ. Это приводит к замыканию контакта КОЗ в цепи пускателя КЗЗ, подготавливая схему управления на закрытие задвижки.

При получении импульса на закрытие задвижки замыкается контакт РО в цепи пускателя КЗЗ. Пускатель срабатывает, блокирует цепь питания пускателя КОЗ открывшимся контактом КЗЗ и закрывает задвижку полностью. В результате срабатывает концевой выключатель КВЗ, рвет цепь питания пускателя КЗЗ и подготавливает схему управления задвижкой к ее открытию.

Ручное управление задвижки отличается от автоматического тем, что сигналы на открытие и закрытие задвижки организуются нажатием кнопок SO и S1.

Современная защита и автоматика агрегатов насосных станций базируется на микроэлектронной или микропроцессорной технике. Для двигателей насосов предлагаются комплексы фазочувствительной комбинированной защиты типа ФУКЗ-М (Латвия), микропроцессорные терминалы РКЗ-М и ЭКТ (г. Красноярск), МКЗиД (г. Новосибирск), SPAC-02 (концерн АВВ) и другие. Комплексы позволяют не только защитить агрегаты, но и выполнить мониторинг сети, состояния оборудования, совместить комбинированное управление с защитами, включая технологические, и мониторингом различных параметров объекта.