CC BY
28УДК 621.31: 628.16
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ДАТЧИКОВ
Важдаев К.В., Иванова О.В., Халиков Р.М., Короткова Л.Н.
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» 450062, Россия, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1 ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32
e-mail: olgachemist@mail.ru
Аннотация. Основой управления качеством в соответствии с ISO 9000 является тщательный контроль производства с использованием систем автоматизированного измерения значений технологических величин. Согласованное функционирование звеньев водоснабжения: насосных станций, трубопроводов, фильтрационного оборудования и т.п. увеличивает эффективность и надежность гидросистемы, снижает расход энергоресурсов и улучшает органолептические характеристики воды. Для координации работы отдельных блоков технологической линии водоснабжения необходимы автоматизированные системы управления качеством. В качестве необходимой аппаратуры инновационные технологии водоподготовки предусматривают использование электротехнических датчиков. Современные гидросистемы водоснабжения имеют разветвленную сетевую структуру, которая расположена на обширной территории. Для наблюдения за параметрами работы технологической аппаратуры предназначаются разнообразные датчики, которые преобразуют контролируемую величину в электрический сигнал, поступающий в исполнительное устройство. Рассмотрены эффективные подходы управления функционированием электродвигателей центробежных насосов, обеспечивающих перекачку требуемых объемов воды. В работе проанализированы алгоритмы регулирования подачи требуемых объемов воды и давления насосными станциями городского водоснабжения с применением инновационных датчиков.
Ключевые слова: водоснабжение, управление качеством, водяные насосы, электроприводы, датчик уровня и давления, энергосбережение.
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день актуальной остается задача разработки управляемых, надежных гидросистем в водоснабжении населенных пунктов и городов, которые позволяют более рационально использовать водные ресурсы и электрическую энергию. Визуальный контроль за состоянием технологического оборудования и ручное управление агрегатами в системе водоснабжения не могут обеспечить достаточной надежности функциональной работы насосных станций (НС). Устойчивое водоснабжение мегаполисов, имеющих разветвленную сеть, например, в системе МУП «Уфаводоканал» более 2700 км водопроводных и канализационных сетей, требует расширения использования электротехнических датчиков.
Цель данной статьи - анализ инновационных подходов управления гидросистемой в технологической линии водоподготовки посредством использования инновационных датчиков.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Основным механизмом насосных станций является асинхронный электропривод, являющимся
одним из главных потребителей (до 25 %) всей расходуемой электроэнергии [1]. Автоматическое управление процессами водоснабжения осуществляется с помощью датчиков для измерения показателей и расхода воды; блоков ввода данных и вывода; исполнительных механизмов; контроллера и т.п. [2]. Датчики в технологической гидросхеме водоснабжения определяют характеристики, регулируют и сигнализируют о неполадках. Гидротехнические скважины водоисточника оснащаются блоками ввода и вывода, датчиками для контроля над напряжением и давлением, механизмом плавного запуска электропривода. НС водозабора, например, «Уфаводоканал» общей мощностью 611 тыс.м3/сут. снабжены датчиками тока и давления, а блок защиты электродвигателя устанавливается на каждый насос.
Автоматизация водяных насосов и НС на сегодняшний день, как правило, сводится к управлению погружным электронасосом по уровню воды в накопительных емкостях или давлению в напорном трубопроводе. На НС гидротехническое оборудование достаточно эффективно управляются электротехническими датчиками: пуск и остановка водяных насосов и вспомогательных насосных установок; контроль и поддержание заданных параметров (например,
уровня воды, подачи, напора и т.д.); прием контролируемых параметров и передача сигналов в диспетчерскую. Для наблюдения за параметрами работы НС служат различные датчики, которые преобразуют контролируемые величины в электроимпульсы, поступающие в исполнительные механизмы [3].
В настоящее время в технологии водоснабжения внедряется микропроцессорное управление работой НС. В работе [4] рассмотрены алгоритмы и методы управления
электродвигателем, позволяющие снизить неэффективные затраты при его использовании в качестве электроприводов водяных насосов.
По принципу работы можно выделить следующие виды датчиков уровня воды: поплавковые датчики; гидростатические датчики; емкостные датчики; радарные датчики; ультразвуковые датчики и др. [5]. Существуют несколько способов измерения уровня воды, например, при контактном методе датчик устанавливают на стенке в резервуаре на определенном уровне. На этом методе обоснованы функционирование гидростатических и
поплавковых моделей электротехнических датчиков, а к бесконтактным способам управления относятся ультразвуковые и емкостные датчики.
В работе [6] конструирован блок управления датчиками уровня воды, которые собраны с использованием элементов платформы Arduino и разработаны печатные платы на отдельные блоки устройства. Скоординированная работа взаимосвязанных звеньев водоснабжения повышает результативность управления технологической линией и уменьшает затраты электроэнергии [7-10]. Управление качеством сервисного обслуживания при водоснабжении рациональнее проанализировать в рамках фрактальной концепции.
Оценка экономичности разнообразных типов центробежных насосов приведена в работе [11]. Показано, что использование конфузорных колес в насосах позволяет повысить коэффициент полезного действия и напора. В работе [12] приведена методика оптимизации режимов работы силовых агрегатов при ступенчатом способе их регулирования. Проведена процедура оптимизации режима подачи воды насосной станцией с накопительным баком с использованием методов исследования операций.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
МУП «Уфаводоканал» постоянно работает над повышением качества питьевой воды для населения. Это предприятие всегда было одним из лидеров по внедрению инновационных устройств и технологий. Например, «Уфаводоканал», внедрил систему «Галактика ERP», которая используется совместно с другими специализированными информационными системами для решения задач
автоматизации задач управления снабжения и сбыта, деятельности персонала и др. Следует отметить, что использование системы Галактика ERP позволило повысить эффективность управления, качество работы, что улучшило общее экономическое положение предприятия.
В эксплуатации предприятия «Уфаводоканал» находятся:
• 7 водозаборов общей мощностью 611 тыс.м3/сут.;
• станция водоподготовки производительностью 200 тыс.м3/сут.;
• 15 насосных станций 2-го и 3-го подъемов;
• 2 станции полной биологической очистки сточных вод общей производительностью 542,5 тыс.м3/сут;
• 34 насосные станции канализации;
• более 2700 км водопроводных и канализационных сетей.
На предприятии МУП «Уфаводоканал» с 2003 года применяются насосы погружные центробежные с гидроприводом (изготовленные в г. Озерске) для откачки жидкостей при проведении аварийно-ремонтных работ на водопроводно-канализационных сетях. Навесное оборудование, на котором установлены двигатели Д-120, гидронасосы НШ-32 и гидравлические бачки, оперативно используется при устранении неполадок водоснабжения. Производительность таких насосов составляет 50-60 м3/час при 15 м напора и за время эксплуатации насосы проявили себя как надежные средства откачки в различных погодных условиях.
Основными преимуществами гидроприводных насосов являются:
1. Небольшой вес (16 кг) гидропривода насоса в сочетании с большой производительностью (при Q=50 м3/час), что значительно увеличивают диапазон и удобство применения данных насосов.
2. Принцип действия и малый вес позволяют производить откачку воды в местах, находящихся труднодоступных для подъезда техники, на значительном удалении от источника питания (2030 м) передвижного механизма с гидроприводом.
3. Применение погружных насосов с гидроприводом в качестве напорных выбросных шлангов пожарных рукавов позволяет производить откачку на значительные расстояния (до 60 м).
4. Использование напряжения 380 вольт, которые используются у погружных насосов, работающих от электропривода, повышает безопасность работы людей во влажных и опасных условиях при откачке жидкостей из котлованов, колодцев и т.д.
5. Возможность регулирования работы гидропривода позволяет в целом регулировать производительность насоса, т.е. при необходимости в определенных пределах изменять ее. Таким образом, подводя итог тех положений,
которые были упомянуты ранее, можно сказать, что в течение 15 лет эксплуатации насосы погружные с гидроприводом являются надежными средствами откачки и имеют ряд преимуществ по сравнению с погружными насосами от электропривода.
Основными методами исследований являются диагностический и фрактальный анализы управления качеством функционирования линий водоснабжения. Диагностический анализ позволяет установить лимитирующие стадии в водоподготовительной технологии и нахождение оптимальных управленческих решений. Фрактальный анализ разветвленных сетей водоснабжения также дает возможность предложить эффективные подходы модернизации сервиса и обеспечивает максимальную устойчивость гидротехническим системам.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
В автоматизированных гидросистемах управления НС применяют следующие типы датчиков:
♦ уровня - для подачи импульсов на включение и остановку водяных насосов при изменении уровня воды в резервуарах;
♦ электроконтактные манометры - для управления цепями автоматики при изменении давления в трубопроводе и др.
Основными элементами электродного датчика уровня воды поплавкового типа (рис. 1) являются блок сигнализации и электроды, которые установлены на определенной высоте гидрорезервуара. Для контроля уровня выпускаются поплавковые датчики уровня (ПДУ) с цилиндрическим поплавком ПДУ-1, ПДУ-2; с шарообразным поплавком ПДУ-3. Датчик уровня имеет поплавок, передвигающийся по вертикальному штоку, а внутри поплавка находится постоянный магнит. В штоке ПДУ, представляющем собой полую трубку, находится электромеханическое коммутационное устройство геркон: герконовый контакт срабатывает при приближении магнита. При достижении уровнем воды того или иного электрода замыкаются соответствующие цепи в электрической схеме сигнализации и управления гидросистемы.
Рисунок 1. Датчики уровня воды в гидрорезервуаре (поплавковый датчик управления - ПДУ) Figure 1. Water level sensors in the water tank (float control sensor-remote control)
Показатели уровня жидкости в гидрорезервуаре при помощи датчика уровня воды передаются на пульт управление, а экране монитора отображаются конкретные резервуары. Датчики воспринимают изменения объема воды и передает сигнал при повышении максимальной отметки на реле в резервуаре; включает реле сигнализации в корпусе управления (звуковая или световая). В некоторых случаях датчик применяется для создания замкнутой схемы системы автоматического контроля воды в резервуаре.
Контроль функционирования
электротехнического оборудования
(электродвигателей и т.п.) в процессе перекачки объема жидкости насосами по трубопроводу позволяет существенно повысить
энергоэффективность на 18-21% в технологии подготовки питьевой воды. Диагностический и фрактальный анализы управления качеством функционирования звеньев водоснабжения: насосных станций, трубопроводов и др. дают возможность использования современных инновационных датчиков.
В настоящее время, автоматическая поддержка сети по водопередачи в онлайн-режиме невозможно без обратной связи. Миссия считывания меняющихся данных и передачи их на реле возлагается на измерители и анализаторы разных конструкций. Современные насосные станции подачи воды реагируют на перемены в скорости потока и давлении, а датчики сигнализируют систему управления о том, какие именно действия по стабилизации требуются.
Для контроля уровня воды привлекают механические, электронные или ультразвуковые датчики водоснабжения. В первом случае плавающий механизм на поверхности передвигается вместе с изменением высоты водного столба и при достижении конечных точек включаются одни или другие управляющие цепи.
Внизу гидроаккумулятора могут
инсталлироваться электронные устройства с высокой чувствительностью для фиксации моментального давления. Кроме того в схему стабилизации состояния водонапорной системы возможно установка электроконтактных манометров. Эти манометры вместе с диафрагменными переключателями принимают участие в автоматизации выключение/включения приводов гидронагнетателей. В этих устройствах смещение диафрагмы через прикреплённый к ней рычаг замыкает (либо размыкает) контакты в релейном механизме.
Информация о присутствии (отсутствии) водного потока управляющие системы водоснабжения получают от струйных реле. Внутри водоснабжающей магистрали располагают датчик-пластину, которая отклоняется при движении водной массы либо остаётся статичной, когда тока жидкости не наблюдается. Принцип действия любого манометрического аппарата состоит в деформации трубчатой камеры под неким воздействием и возврате её в первоначальную позицию, когда влияние ослабевает. Любые датчики водоснабжения имеют погрешность или предел измерительной точности.
В локальных водоподводящих комплексах наиболее актуальным и практичным считается определение двух показателей: давление в контуре и возникновение утечек. Измерение первой (и основной) характеристики осуществляется манометрами различных изготовителей. В случае если колебания давления существенны на протяжении суток, то требуется отладка локальной станции водоснабжения.
Датчики, которые отслеживают возможные протечки, имеют пару электродов. В случае если возникает протекание, то жидкость замыкает их в
цепь и возникший электроимпульс попадает в чип контроллера, который через релейную схему переводит арматуру водопровода в положение «закрыто». В итоге датчики водоснабжения купируют аварийное положение на этапе его зарождения, и блокирование подачи воды тут осуществляется практически мгновенно, а небольшое рабочее электрическое напряжение делает подобную защиту экономичной и безопасной.
Основным недостатком управления по уровню в условиях Башкортостана является подверженность обмерзанию электродов датчиков уровня в зимнее время, вследствие чего водяной насос не выключается и происходит переливание воды из гидроаккумулирующего резервуара. При управлении работой электронасоса по давлению электроконтактный манометр можно смонтировать на напорном трубопроводе в помещении НС и это облегчает обслуживание гидротехнических датчиков и исключает воздействие низких температур.
Для насосных установок центробежного типа применяют следующие способы регулирования подачи жидкости и давления: дросселированием трубопровода; отключением или подключением насосов (ступенчатое регулирование); изменением частоты вращения насоса. Регулируемый электропривод применяют в тех случаях, когда производительность НС водоснабжения необходимо часто изменять в широких пределах. Основным требованием, предъявляемым к работе технологических линий водоснабжения и водоотведения, является необходимость бесперебойной подачи воды и отвод сточных вод при значительных колебаниях водопотребления в течение суток.
Наиболее эффективным управлением технологической гидросистемы является регулирование с помощью преобразователей частоты, которые позволяют плавно изменять частоту вращения электродвигателя насоса и модифицировать производительность. На рис. 2 приведена функциональная схема регулирования мощности электронасоса с использованием преобразователя частот:
На вход блока управления водоснабжения подаются сигнал задания и сигнал, получаемый с датчика уровня воды. Отклонение между действительным и заданным показателями уровня воды преобразуется в синхросигнал, под воздействием которого преобразователь меняет частоту вращения электродвигателя водяного насоса.
Рисунок 2. Функциональная схема регулирования электропривода водяного насоса с использованием
преобразователя частоты
Figure 2. The functional diagram of regulation of the electric water pump using a frequency Converter
ВЫВОДЫ
Таким образом, в заключение можно сделать вывод, что использование датчиков частотно-регулируемого электропривода является экономичным и надёжным средством управления режимами работы насосных установок различного назначения. Управление качеством
функционирования электротехнических датчиков обеспечивает: экономию 18-21% электроэнергии, уменьшение износа гидромеханического и электротехнического оборудования благодаря сокращению количества пусков и остановок водяных насосов; снижение вероятности возникновения аварий, вызванных
гидравлическими ударами и т.п.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сиволов Г.Е., Кармалов А.И., Ивансон П.Б. и др. Многоуровневая автоматизированная система управления технологическими процессами водоснабжения и водоотведения // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 9-1. С.47-56.
2. Лобачев П.В. Насосы и насосные станции. - М.: Стройиздат. 1990. - 320 с.
3. Мулев Ю.В., Красовский Ю.К. Новые разработки НПО «ЮМАС». Манометры, показывающие // Датчики и системы. 2007. №6. С.55-58.
4. Иванова О.В., Халиков Р.М., Короткова Л.Н. Результативное управление электротехническим оборудованием в технологической схеме производства качественной
воды // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2018. Т.14. № 2. С. 21-27.
5. Водоснабжение и водоотведение. Наружные сети и сооружения. Справочник. / Под ред. Б.Н.Репина. - М.: Высшая школа, 1995. - 431 с.
6. Абдрахманов В.Х., Важдаев К.В., Салихов Р.Б. Разработка средств автоматизации с использованием Wi-Fi модулей ESP8266 и LPWAN технологий // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2017. Т.13. № 4. С.98-108.
7. Иванова О.В. Словарь основных терминов управления качеством. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2014. -68 с.
8. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. -М.: Изд. центр «Академия», 2006. - 272 с.
9. Иванова О.В., Халиков Р.М., Чудинов В.В. Технологичные механизмы формирования общепрофессиональных компетенций у бакалавров направления подготовки «Управление качеством» // Успехи современной науки и образования. 2016. № 9-1. С.73-76.
10. Лезнов Б.С., Воробьев С.В. Технологические основы использования регулируемого электропривода в насосных установках // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2012. №5. С.24-35.
11. Боровский Б.И., Дихтярь Т.В. Оценка экономичности одноступенчатых и многоступенчатых центробежных насосов // Строительство и техногенная безопасность. 2017. № 8(60). С.81-86.
12. Николенко И.В., Рыжаков А.Н. Метод оптимизации режимов работы силовых агрегатов насосной станции // Строительство и техногенная безопасность. 2016. № 5(57). С.77-82.
REFERENCES
1. Sivolov G.E., Karmalov A.I., Ivanson P.B. et al. Multilevel automated control system for technological processes of water supply and wastewater disposal // Water supply and sanitary engineering. 2011. No.9-1. Р.47-56.
2. Lobachev P.V. Pumps and pump stations. -Moscow: Stroyizdat. 1990. - 320 р.
3. Mulev Yu.V., Krasovsky Yu.K. New developments of NPO "UMAS". Manometers showing // Sensors and systems. 2007. No.6. Р. 55-58.
4. Ivanova O.V., Khalikov R.M., Korotkova L.N. Efficient management of electrotechnical equipment in the technological scheme for the production of high-quality water // Electrical and data processing facilities and systems. 2018. V.14. No.2. Р.21-27.
5. Water supply and water disposal. External networks and facilities. Directory. Ed. B.N. Repin. -Moscow: Higher School, 1995. - 431 р.
6. Abdrakhmanov V.Kh., Vazhdaev K.V., Salikhov R.B. Development of automation tools using Wi-Fi modules ESP8266 and LPWAN technologies //
Electrical and data processing facilities and systems. 2018. V.13. No.4. P.98-108.
7. Ivanova O.V. Dictionary of the basic terms of quality management. - Ufa: BashSU, 2014. - 68 p.
8. Sokolovsky G.G. Alternating current electric drives with frequency control. - Moscow: Publishing center "Academy", 2006. - 272 p.
9. Ivanova O.V., Khalikov R.M., Chudinov V.V. Technological mechanisms for the formation of general professional competencies for bachelors in the direction of training "Quality Management" // Advances in modern science and education. 2016. No.9-1. P.73-76.
10. Leznov B.S., Vorobiev S.V. Technological fundamentals of using a regulated electric drive in pumping plants // Water purification. Water treatment. Water supply. 2012. No.5. P.24-35.
11. Borovskiy B.I., Dikhtyar T.V. The economic efficiency of single-stage and multistage centrifugal pumps // Construction and industrial safety. 2017. No.8(60). P.81-86.
12. Nikolenko I.V., Ryzhakov A.N. The method of optimization of operating modes of power units of the pump station // Construction and industrial safety. 2016. No.5(57). P.77-82.
QUALITY MANAGEMENT OF FUNCTIONING OF THE TECHNOLOGICAL LINE WATER SERVICE WITH USING MODERN SENSORS Vazhdaev K.V., Ivanova O.V., Khalikov R.M., Korotkova L.N.
Summary. In according to ISO 9000 the basis of quality management in accordance is the total production control using the systems of automated measurement of process values. Coordinated functioning of the water production links: pumping stations, pipelines, filtration equipment, etc. increases the efficiency and reliability of the hydrosystem, reduces energy consumption and improves organoleptic water performance. To coordinate the work of individual units of the water supply line, automated quality management systems are required. As a necessary equipment, innovative technologies for water treatment require the use of electrical sensors. Modern water supply systems have a branched network structure, which is located on a vast territory. To monitor the parameters of the operation of technological equipment, a variety of sensors are intended, which convert the test value into an electrical signal entering the actuator. Effective approaches to controlling the functioning of electric motors of centrifugal pumps ensuring the transfer of required volumes of water are analyzed. In work algorithms of regulation of volume of water and pressure supply by pumping stations of city water service with application of innovative sensors are analyzed.
Key words: water service, management of quality, water pumps, electric drives, level and pressure sensors, energy saving.
