Технічні науки/Автоматизовані системи управління на виробництві.

Кривошея В.М.

Донецький Національний технічний університет

МОДЕЛЬ СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ КАНАЛІЗАЦІЙНОЮ НАСОСНОЮ СТАНЦІЄЮ

 

         1. Вступ

         Сьогодні проблема автоматизації насосних станцій стоїть особливо гостро, так як мережа каналізаційних насосних станцій в багатьох містах залишається неавтоматизованою, що є причиною до підвищеної аварійності. Дана обставина в свою чергу призводить до перебоїв у водопостачанні, а також до скидання неочищених стоків у ріки та водойма, що призводять до погіршення і без цього надскладної екологічної обстановки. В теперішній час впровадження систем автоматичного керування технологічним процесом водовідведення і, в частковості, управління насосними станціями є одним з найважливіших напрямків технологічного прогресу в області проектування енергозберігаючих та екологічно безпечних технологій. Основним завданням насосного обладнання на каналізаційних насосних станціях є відкачування усього обсягу стоків, що надходить, та недопущення затоплення цими стоками як самих КНС, так і інших об'єктів і навколишніх їхніх територій. В якості основного параметра автоматизованого керування роботою насосів слід приймати рівень стоків у приймальному резервуарі і натиск у колекторі, що відводить, в насосній станції. Основним елементом КНС, що забезпечує підйом стокової рідини на необхідну висоту задля подальшого її транспортування засобом самопливу, є підсистема відкачки - група відцентрових насосів, що приводяться в рух асинхронними трифазними двигунами. Для забезпечення заданого режиму роботи КНС потрібно проводити регулювання режимів роботи насосних установок. Для відцентрових насосних агрегатів, застосовують такі стандартні способи регулювання витрат стоків і тиску:

- Ступеневе регулювання насосів;

- Дроселювання трубопроводу;

- Зміна частоти обертання робочого колеса насоса. У той час, як метод з використанням засувок має низький ККД і збільшує знос запірного та насосного обладнання, метод зі зміною частоти обертання крильчатки позбавлений таких недоліків. Отже, розглянемо замкнену систему автоматичного керування головною каналізаційною насосною станцією, яка буде здійснювати регулювання об’єктом керування на підставі зміни частоти обертання робочого колеса насосного агрегату та, якщо, даний засіб не є оптимальним, розробимо інший підхід керування комплексом водовідведення. Як правило, вали крильчаток насосів пов'язані з роторами електродвигунів безпосередньо без редукторів, що знижують або підвищують, що означає можливість зміни швидкостей їх обертання тільки лише шляхом зміни швидкості обертання ротора двигуна. І в цьому випадку застосування асинхронних електродвигунів в якості приводів дає переваги в управлінні та спрощує систему управління.

         2. Основний зміст та результати роботи

         Розглянемо схему функціонування технологічного процесу водовідведення міста на підставі якої будуть визначені основні ланки об’єкта керування, а саме КНС, та буде в подальшому спроектовано замкнену систему автоматичного керування:

Рис. 1 – Схема функціонування технологічного процесу водовідведення

По трубопровідним магістралям стоки потрапляють в приймальний резервуар, після чого відбувається аналіз даних про їх рівні відповідними датчиками. На підставі цих даних, система управління формує керуючий вплив у вигляді імпульсу на електроприводи на базі асинхронних двигунів, живлення яких здійснюється з локальною підстанції напругою постійної частоти і постійної амплітуди. Далі електродвигуни приводять в дію відцентрові насоси таким чином, що ті здатні забезпечити максимальний необхідний натиск і потрібну витрату стокової рідини. За рахунок різниці тиску між всмоктуючим і напірним патрубками насосних агрегатів відбувається підняття стоків на необхідну висоту, після чого шляхом самопливу стічні води транспортуються далі до місць їх очищення (очисні споруди) по трубопровідним магістралям. Отже, складемо структурну схему системи автоматичного керування на основі зроблених висновків:

РО

АД

ВН

ТМ
 


U                     ε                          f                 ω                          H                      Y

 

                         -Y

 

Рис. 2 – Структурна схема системи автоматичного керування КНС

Об'єм стоків проходить деякий проміжок по магістралі ТМ після чого його величина знімається датчиком і в якості зворотного зв'язку надходить на елемент порівняння, формуючи сигнал неузгодженості. Також слід врахувати момент опору ротора двигуна, який буде впливи в системі управління.

         Як відомо, швидкість обертання ротора асинхронного двигуна залежить від частоти напруги живлення:

                                                                                                        (1)

Виходячи з цього виразу очевидно, що здійснювати управління швидкістю ротора можна шляхом зміни частоти напруги живлення. Таке управління називається частотним і останнім часом набуває широкого розповсюдження. До того ж, широко випускаються інтелектуальні частотні перетворювачі, що дозволяють не тільки змінювати частоту напруги, але також програмувати в себе певні закони управління, що може значно спростити реалізацію системи управління. Для вибору закону керування необхідно проаналізувати передавальний функцію об'єкта щодо частоти напруги живлення. Для цього визначимо передавальні функції кожного з ланок.

Рис. 3 – Структурна схема асинхронного двигуна

Будемо шукати передаточну функцію асинхронного двигуна як відношення частоти обертання ротора до частоти напруги живлення. Пропонується розбити на дві складові - «момент / частота» і «частота / момент» для можливості обліку моменту опору, що діє на вал двигуна. По даній структурній схемі можна визначити кінцеву передаточну функцію, яка має вигляд:

                                                                                                  (2)

Можна обчислити постійні часу за певними співвідношеннями, однак на практиці простіше отримати їх методами ідентифікації та використовувати далі для отримання передавальної функції регулятора.

         Визначимо передаточну функцію відцентрового насоса і магістралі. У простішому випадку, насос і магістраль розглядають як один об'єкт, і апроксимуються до загальної передаточної функції у вигляді інерційного ланки другого порядку з запізненням. Оскільки коливальні процеси слабко виражені внаслідок великої інерційності об'єкта, можна знизити порядок передаточної функції та одержати остаточний її вид:

                                                                                    (3)

Параметри передаточної функції залежать від кожного конкретного випадку, тому їх отримують методами ідентифікації. Запишемо остаточний вид передаточної функції об’єкта керування за допомогою співвідношень (2) і (3):

                                                                          (4)

Аналізуючи співвідношення  (4) бачимо, що вона має четвертий порядок. Це означає, що регулятор повинен мати можливість відстежувати помилку щодо прискорення, що не є можливим у вбудованих в частотний перетворювач ПІД-закони керування. Крім того, використання навіть диференціальної складової в трубопровідної системі може сильно погіршити стійкість через відпрацювання короткочасних збурень, пов'язаних з відображенням стокової рідини від стінок труб. Таким чином, доцільно використовувати ПІ-регулятор з точки зору забезпечення максимальної стійкості, але в цьому випадку погіршиться час регулювання, але в даній системі воно не є критичним. Отже, передаточна функція ПІ-регулятора визначається за формулою:

                                                                                       (5)

Існують різні методики визначення параметрів ПІ-регуляторів. Одна з них - методика Нікольса-Зіглера. Відповідно до неї, необхідно знайти граничний коефіцієнт ПI регулятора Kкр, який забезпечує незгасаючі коливання на виході системи і період даних коливань Ткр. Тоді, параметри ПІ регулятора розрахуються як:

                                                              Кр=0.45kкр                                               (6)

                                                              ТI=0.85Тк                                                                            (7)

Як правило, за даних налаштуваннях система буває стійкою, однак часто вони використовуються лише як стартові настройки при пуску і налагодження регулятора. Процес налагодження полягає в наступним - виставляються або отримані настройки, або значення, менше їх в 2-3 рази, і поступово збільшуються, при цьому контролюється вихідна величина об'єкта управління. Як тільки вихід починає сильно відхилятися від уставки - припиняється підбір параметрів. Практика показує, що для досягнення найбільшого швидкодії стала часу інтегратора повинна перевищувати розраховану в 5-10 разів.

         Висновки

         Отже, маючи передаточні функції всіх ланок об’єкта дослідження, а саме каналізаційної насосної станції, можна одержати остаточний вид структурної схеми замкненої системи автоматичного керування каналізаційною насосною станцією:

                                        РО

 

1/Tи

Kp
   U                        ε                            

                     -                                                        +

                                    

                                                           

                                             

 

2
 


                              Мс                                                    АД

1/Tм

     ω                           -                                                        f

                                      

                                                                                               

1
 


1

                                                          H                                    Q, H                                              

 


                                                     

                                                                     ВН+ТМ

2
                                                                                                                  

 


Рис. 4 – Структурна схема об’єкта керування

На підставі цієї структурної схеми можна спроектувати реальну систему автоматичного керування технологічним процесом водовідведення. В подальшому на основі цієї схеми буде розроблено замкнену систему автоматичного керування головною каналізаційною насосною станцією, де будуть враховуватися момент спротиву відцентрового насосу на валу двигуна, також буде враховано теоретичного напору насосного агрегату і будуть враховуватися взаємовідносини тиску та витрат в началі та кінці трубопровідної магістралі на базі моделі чотирьох полярника. Також буде розглянуто  моделювання динамічних процесів в об’єкті керування для встанови факту чи є управління засобом зміни частоти обертання ротору двигуна оптимальним та, якщо ні, впровадити новий спосіб керування.

Список літератури:

1. С. В. Яковлєв, Я. А. Карелін "Каналізація", М. 1975р., 632 с.

2. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовський Г.Г. Управління електроприводами: навчальний посібник для вузів - Л.: Энергоиздат. Ленингр., 1982. - 392 с.