Так, обратные клапаны используются для предотвращения противотока перекачиваемой жидкости при возникновении аварийных и нестационарных режимов работы оборудования насосных станций. Кривая изменения коэффициента сопротивления обратного клапана от степени его открытия изображена на рис. 6. Время срабатывания обратных клапанов различного диаметра лежит в пределах 0,61,5 с [13].
Рисунок 6 - Кривая зависимости коэффициента сопротивления обратного гидроклапана от степени его открытия
Задвижки и вентили предназначены для регулирования расхода жидкости в трубопроводе путем изменения диаметра условного прохода. Время закрытия/открытия задвижек составляет 0,3ч5,8 мин., вентилей - 5ч27 с. (табл. 3).
Таблица 3 - Время закрытия (открытия) задвижек и вентилей
|
Приводы задвижек |
||||||
|
Р, кВт |
0,18 |
0,6 |
2,2 |
5,2 |
7 |
|
|
tзакр/откр, мин |
1 |
0,3ч0,9 |
1,1ч2 |
1,3ч5,8 |
2ч4,7 |
|
|
Приводы вентилей |
||||||
|
Р, кВт |
0,18 |
0,6 |
2 |
3,5 |
4,5 |
|
|
tзакр/откр, с |
20ч27 |
5ч14 |
11ч44 |
19ч35 |
11ч15 |
Коммуникационная сеть описывается уравнением вида:
H=Hc+RcQ2,
где Нс - геодезический напор (противодавление); Rc - гидродинамическое сопротивление трубопровода, зависящее от длины, диаметра, материала стенок трубопровода, свойств перемещаемой жидкости и т.д.
Скорость распространения волн давления в трубопроводе определяется выражением [6]:
,
где Епр=Ев/(1+е(Ев/Е)) - приведенный модуль упругости; Ев - объемный модуль упругости жидкости; Е - модуль упругости материала стенок трубы; - плотность перекачиваемой жидкости; е - коэффициент, зависящий от отношения линейного размера трубы, определяющего ее сечение, к толщине стенок и от способа закрепления трубы.
Для тонкостенных водопроводных труб скорость распространения волн давления лежит в пределах от 600 до 1425 м/с.
При управлении трубопроводной регулирующей арматурой, установленной в гидросети, должно выполняться условие, исключающее возможность возникновения гидроудара - время закрытия (открытия) задвижки должно быть больше, чем время фазы удара в трубопроводе: tзад<Tф,, где - фаза ударной волны; l - длина трубопровода; - скорость распространения ударной волны; - скорость распространения звука в жидкости [7].
Одним из вариантов описания динамических процессов в гидротранспортных системах может быть представление их в виде длинных линий с распределенными параметрами [6, 15]. Тогда движение воды в трубопроводе описывается волновыми (телеграфными) уравнениями:
;
,
где v - скорость движения воды.
Согласно принципам электрогидравлической аналогии (табл. 4), гидротранспортная система может быть описана дифференциальными уравнениями вида:
;
,
где для j-го участка трубы: - площадь поперечного сечения, м2; d - диаметр трубопровода, м; - безразмерный коэффициент сопротивления трубопровода.
Таблица 4 - Электрогидравлическая аналогия
|
Электрическая линия |
u |
i |
r |
L |
C |
|
|
Трубопроводная сеть |
h |
q |
/(dS22g) |
1/gS |
gS/c2 |
Другой вариант описания гидротранспортных систем основывается на представлении их линиями с распределенным запаздыванием и передаточными функциями вида [8]:
;
,
где - скорость распространения сигнала.
Общие принципы построения систем удаленного управления объектами.
Структура системы управления насосной станцией на расстоянии представлена на рис. 7, где информация телеизмерения и телесигнализации передается по каналам связи в одном направлении, а сигналы управления - в обратном [9].
Системы телемеханики различают по структуре каналов связи (цепочечная и древовидная структуры), по методам защиты и разделения сигналов (временные, частотные и многопроводные), по методам сбора информации (параллельные, последовательные), способу размещения объектов, по информационным характеристикам, выполняемым функциям, помехоустойчивости [9 - 12].
Основными характеристиками систем удаленного контроля являются быстродействие, точность телеизмерений, вероятность различных отказов и искажений при наличии помех (помехозащищенность), стоимость и пр.
Для передачи сообщений телеконтроля и телеуправления в подавляющем большинстве случаев используются электрические (проводные) и электромагнитные (беспроводные) каналы связи. В проводных линиях связи применяют передачу данных в высокочастотном диапазоне (от 6 кГц до 550 кГц). При этом максимальная дальность связи достигает 12500 км. Для перекрытия затухания и уменьшения влияния помех в высокочастотных каналах применяются промежуточные усилители, устанавливаемые на расстояниях от 6 до 250 км. Половина высокочастотного диапазона в воздушной линии используется для передачи информации в одном направлении, а вторая половина - в обратном направлении [10]. Системы радиосвязи обычно работают в ультракоротковолновом (УКВ) диапазоне, отличающемся широкой полосой частот, высокой устойчивостью связи, надежностью и малым уровнем помех. При этом мощность передатчиков УКВ может быть небольшой (антенные устройства этого диапазона - остронаправленные) [10, 11]. Наиболее целесообразными для систем телеуправления являются электрические линии связи и радиоканалы при частотах используемых сигналов от 10 Гц до 3104 МГц.
Общая схема телемеханической передачи данных представлена на рис. 8. Датчики, реагируя на изменение значений давления и расхода, отражают соответствующую информацию, которая, воздействуя на переносчик, преобразуется в сигнал, передаваемый по линии связи. На приемной стороне осуществляют обратное преобразование сигнала и вновь получают информацию. В реальных условиях на сигнал в линии связи действуют помехи, которые могут частично или полностью исказить передаваемые сообщения. Во многих случаях для большей гарантии, что информация дойдет без потерь, необходимо передавать избыточную информацию. Однако для приемного устройства избыточные команды не являются новыми и не будут выполнены. Поэтому, передавая такие команды, практически передают сообщение, в котором лишь часть является полезной информацией [11].
В телемеханике для повышения надежности передачи сообщений применяют кодирование сигнала, так как ошибка в передаче может вызвать аварию с большим материальным ущербом. В современных устройствах связи кодирование/декодирование сигнала выполняется приемо-передающими устройствами в соответствии с различными протоколами связи. В качестве таких устройств в системах телемеханики обычно применяют беспроводные и проводные модемы ввиду относительной простоты реализации каналов связи и невысокой стоимости оборудования связи. Модемы классифицируются по скорости передачи данных, по типу каналов связи (для коммутируемых и некоммутируемых телеграфных и телефонных линий), а также по стыковке с каналом связи (последовательные и параллельные). Радиус действия некоторых проводных модемов достигает 60 км; радиомодемы могут поддерживать связь на расстоянии до 7ч15 км (до 70 км при использовании ретрансляторов). Основным случайным фактором при передаче сигнала модемами являются наличие примышленных и атмосферных электромагнитных помех. Помехоустойчивость при передаче данных достигается применением специальных методов кодирования сигнала (т.н. протоколов связи).
Необходимо отметить, что относительно дешевым способом передачи данных является кабельная связь, а самым дорогим - мобильная радиосвязь GSM. Выбор типа линии связи определяется удаленностью контролируемого объекта от диспетчерского пункта, требованиями к скорости и надежности передачи информации, а также финансовыми возможностями предприятия [11, 12].
Время полного цикла обновления информации в системе сбора данных:
Тц=Тнс-дп+Тдтх-дп ,
где Тнс-дп - время обмена информацией между насосной станцией и диспетчерским пунктом; Тдтх-дп - время обмена информацией между диктующей точкой и диспетчерским пунктом.
Так, при физической скорости обмена через модемы, равной 9600 бит/сек, и объемом передаваемой информации Х байт задержка будет равна (Х/(9600/F)), где F - формат обмена по интерфейсу RS-232. При использовании формата 8N1 (1 стартовый бит, 8 бит данных, без паритета, 1 стоповый бит) F=10.
Для связи диспетчерского пункта с диктующей точкой необходим пакет из 12 байт (4 байта на управление задвижкой и 8 байт на получение значения датчика давления). В этом случае для передачи 8 байт по трем диктующим точкам требуется (12/(9600/10))=0.0125 с.
Для связи диспетчерского пункта и насосной станции достаточно пакета из 96 байт (8 байт на управление задвижками, 64 байт на получение значения датчиков давления и расхода, 16 байт на управление тиристорным регулятором напряжения либо преобразователем частоты и 8 байт на установку режима работы насосной станции). В этом случае для передачи 96 байт требуется (96/(9600/10))=0.1 с.
Тогда, полный цикл обновления информации в системе ТЦ =0.1125 с.
Структурная схема и требования к системе управления насосным комплексом на расстоянии.
К основным требованиям при построении систем удаленного управления и контроля насосными комплексами относятся:
- обеспечение наименьшего потребления электроэнергии насосной станции средствами регулируемого электропривода;
- реализация плавного запуска насосного агрегата с заданной интенсивностью набора давления;
- обеспечение работы насосов в зоне высоких КПД, без перегрузок, помпажа и кавитации;
- защита гидромашин, трубопроводов и запорной арматуры от гидравлических ударов;
- возможность дистанционного управления исполнительными механизмами насосной станции, трубопроводной арматуры;
- поддержание заданного давления в диктующих точках гидравлической сети путем плавного регулирования скорости одного из насосов;
- возможность быстрого доступа к информации о режимах работы насосного оборудования;
- наглядное визуальное отображение информации о процессах, происходящих в насосной станции и гидросети;
- непрерывный сбор и накопление информации о технологических параметрах объекта управления и др.
Система удаленного контроля и управления водопроводным насосным комплексом может быть реализована на базе структурной схемы, приведенной на рис. 9, которая включает: преобразователь П, формирующий закон управления асинхронным двигателем АД центробежного насоса ЦН; обратный клапан ОК и регулирующую задвижку З, установленные в напором коллекторе насосной станции; трубопроводную сеть, состоящую из n участков (Тр1, Тр2, …, Трn), каждый из которых может быть оснащен диктующей точкой ДТ1, …, ДТn, запорной арматурой Здт1, …, Здтn, датчиками давления ДН и расхода ДQ, управляющим контроллером диктующей точки СУДТ1, …, СУДТn со встроенным средством связи (модемом); центральным диспетчерским пунктом ДП, обеспечивающим непрерывный контроль динамических процессов в водопроводном комплексе и с помощью модемной связи задающим требуемый режим работы оборудования насосной станции и трубопроводной сети.
Выводы
Выполненный анализ водопроводных гидротранспортных комплексов показал, что это энергоемкие системы с различными по физической природе объектами, каждый из которых характеризуется определенными динамическими характеристиками, постоянными времени, регулировочными параметрами, оказывающими влияние на функционирование всего технологического комплекса. Электропривод, насосов, запорную арматуру, коммуникационную сеть необходимо рассматривать как взаимосвязанные электромеханические и гидравлические системы, обладающие собственными параметрами, меняющимися в течение времени. Различные по порядку постоянные времени (насосного агрегата, трубопроводной арматуры, коммуникационной сети, аппаратуры управления) необходимо учитывать при построении систем автоматического управления технологическим комплексом на расстоянии.
Наиболее целесообразная техническая реализация системы удаленного управления водопроводными насосными комплексами базируется на использовании проводных либо беспроводных модемов, обеспечивающих связь по выделенным линиям между удаленными объектами системы гидротранспортирования со скоростью передачи данных от 9600 до 32000 бод по протоколам V.22, V.26, V.34 и V.42.
Разработка и использование систем удаленного управления насосными комплексами на расстоянии позволит обеспечить энергоэффективный режим работы насосного оборудования, экономию средств на его обслуживание и ремонт, осуществить надежное обеспечение потребителя водой, снизить перерасходы перекачиваемого продукта и т.п.
Рисунок 9 - Структурная схема управления насосным комплексом на расстоянии
Литература
1. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. -М.: Энергоатомиздат, 1991. - 144с.
2. Онищенко Г,Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. -М.: Энергия, 1972. - 240с.
3. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. - М.: Энергоиздат, 1981. - 576 с.
4. Моделювння електромеханічних систем: Підручник / Чорний О.П., Луговой А.В., Д.Й.Родькін, Сисюк Г.Ю., Садовой О.В.- Кременчук, 2001. - 410 с.
5. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей -М.: Энергоатомиздат, 1984. -240 с.
6. Вишневский К.П. Переходные процессы в напорных системах водоподачи. -М.: Агропромиздат, 1986. - 135 с.
7. Справочник по гидравлике под ред. Большакова В.А. - К.: Вища школа, 1977. - 280 с.
8. Гурецкий Х. Анализ и синтез систем с запаздыванием. Пер. с польского. М., Машиностроение, 1974. - 328 с.
9. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерение. -М.: Энергоиздат, 1982. -560 с.