Автоматизирани системи за управление на водоснабдяването

доц. д-р Венелин Яков, РУ ""А. Кънчев""

Автоматизираните системи за управление на технологичните процеси на водоснабдителните системи са предназначени за оперативен контрол и управление на технологичните процеси в съответствие с приетите критерии.

Целта им е осигуряването на надеждна и безаварийна работа на водоснабдителните системи при минимални експлоатационни разходи, подобряване на качеството на водоснабдяването, намаляване на субективния фактор и не на последно място намаляване себестойността на продукцията – водата.

Автоматизираните системи за управление на водоснабдяването (АСУВ) изпълняват няколко основни функции:
Функция „Безопасност”  включва защита на обслужващия персонал, електродвигателя и помпата. Тази функция е основна и абсолютно задължителна предвид високата цена на съоръженията. Реализацията на тези задачи се осъществява с подходящ избор на пусково-защитна апаратура, предварителен анализ на вероятните аварийни режими и внедряване на съвременни електронни защитни устройства. Понастоящем такива се използват в повечето ВиК дружества – ВиК Русе, Плевен, Ловеч, Разград, Търговище, Исперих, Кубрат и др.

Функция „Плавно пускане и спиране” на помпените агрегати за избягване на хидравличните удари в системата и намаляване износването на агрегатите. Решаването на тази задача е актуална цел и тя се постига с внедряването на електронни софтстартери на много места в страната (ВиК Силистра, ВиК Търговище и др.).

В резултат на това рязко се снижава аварийността по водопроводната мрежа.
Функция „Регулиране на скоростта на помпен агрегат” с цел поддържане на постоянно налягане или дебит в системата. Изключително актуална функция, която предстои да бъде използвана с цел намаляване на енергийните и водни загуби.

Доказано е, че при внедряване на система за поддържане на постоянно налягане във водопреносната мрежа, хидравличните загуби намаляват драстично. За информация в България понастоящем те превишават 60% от изпомпваната вода.

Функция „Контрол и регулиране на хидравлични параметри”. Тази функция се прилага масово за контрол и регулиране на ниво във водоеми и резервоари, при което най-често управлението на пусково-спирачните режими се осъществява автоматично без участие на оператор.

Функция „Локално групово управление на помпени агрегати”. Представлява система за локална автоматизация на помпени станции с използване на PLC (програмируеми логически контролери). Най-често към изграждане на такива системи се пристъпва при модернизация на съществуващи релейно-контакторни системи за управление на група от помпени агрегати. Прилагат се масово в повечето обекти на територията на страната.

Функция „Дистанционно управление и контрол на силовите агрегати и параметрите на помпени станции”. В повечето ВиК дружества е внедрена система за дистанционен контрол, базирана на УКВ радиовръзка и терминални устройства с микрокомпютърно управление. Най-високо ниво на дистанционното управление се реализира посредством SCADA (компютърно базирани) системи, които позволяват директно управление и контрол от персонални компютри.

В повечето случаи изграждането на такива системи е йерархично реализирано, с пренос на информация в различни посоки. В тези системи е задължително въвеждане на единна система за пренос на информация по индустриални мрежи за комуникация: Profibus, Modbus и др.

Функция „Диагностика, статистическа обработка на данни, контрол на енергийни и икономически параметри”. Може да се смята, че това е надграждане на предходната функция, която се разширява с допълнителни технически средства (разходомери, електромери, фазови анализатори, специализирани модули за пренос на информацията), специализиран софтуер, с помощта на който се анализират: разход на вода; разход на електроенергия; фактор на мощността; к.п.д. на електродвигател; к.п.д. на помпен агрегат и др.

При залагане на тази функция може да се прогнозира моментът на ремонт на помпен агрегат, реконструкция на помпена станция и др. организационни мероприятия. С помощта на създадени за целта софтуерни продукти, най-вече в среда „Matlab”, може с висока точност да се прогнозират параметрите на настройка на електронните защити, времената на настройка на времевите релета в пускателите „звезда/триъгълник” и софтстартерите, граничните стойности на тока и т. н.

Обем и степен на автоматизация на водоснабдителните системи
Според степента на автоматизация се различават обекти с частична, комплексна и пълна автоматизация.
При частичната автоматизация се управляват дистанционно или автоматично само отделни машини или агрегати, които нямат връзка с други производствени процеси. Това е първият етап на автоматизация.

При комплексната автоматизация целият комплекс от производствени операции се осъществява по предварително разработени програми с автоматични устройства, обединени в обща система на управление. Човекът само наблюдава хода на процеса, анализира неговите показатели и избира режима на работа на оборудването.

Пълната автоматизация е последният етап от автоматизацията на производството, при който целият комплекс от операции, включително и изборът на оптималния режим на работа на системата, се извършва автоматично без участието на човека. Обемът на автоматизацията се определя от броя на операциите, процесите и устройствата, чието управление се осъществява със средствата на автоматиката.

Нивото на автоматизацията зависи от степента на използваните технически и програмни средства при реализацията на системата.

Релейно-контактни схеми за автоматизация на помпени станции
Все още в експлоатация се намират релейно-контактни системи за управление на обекти във водоснабдяването. Въпреки наличието на доста физически и морално остарели модули в системите, такива се използват в редица общински и държавни ВиК дружества, като основната причина е недостигът на финансови средства за модернизация и поддръжка.

Въпреки това при съблюдаване на някои основни правила експлоатацията може да бъде успешна и да съдейства за постигане на основната цел – безаварийно водоснабдяване. Основната конфигурация на тези станции се свежда до управление на две или четири помпени агрегати, като един или два от тях са основни, а другите – резервни.

При помпените станции се автоматизират следните процеси: заливане на помпите; пускане и спиране на помпите в определена последователност; отваряне и затваряне на ел. задвижките в определен ред; изключване на работна (при нарушение на работата) и включване на резервна помпа; контрол на работата при помпените агрегати и предаването на данни в диспечерския пункт; технологична защита; пускане и спиране на дренажните помпи; отопление и вентилация на помпената станция; охрана на помпената станция и резервоарите от външни лица.

При необходимост се предвижда и регулиране на налягането и водното количество посредством дроселиране или чрез изменение на скоростта на въртене на помпата.
Една водоснабдителна система може да бъде проектирана на високо научно-техническо ниво и изпълнена с много добро качество.

Ако обаче тя не се експлоатира правилно, може да се появят различни нарушения в работата й с протичащите от това последствия, по-важните от които са: намаляването на производителността на системата; нарастването на загубите на вода; нарушаването на екологичните норми и като краен резултат – нанасянето на големи материални щети.

Групово управление на помпени агрегати – пример за ръчно управление с най-често възникващи проблеми
На фигура 1 е представена блокова схема на съществуваща помпена станция за водоснабдяване на обект (Златна Панега) в начален етап от експлоатацията. Схемата е изцяло релейно-контакторна. Обект на управление на помпена станция Златна Панега са четири хоризонтални помпени агрегати – ПА1, ПА2, ПА3, ПА4.

 Те засмукват вода от езеро, на чийто бряг са разположени и я подават по тръбопровод към напорен резервоар – НР, разположен на естествено възвишение край града. Между напорния резервоар и помпената станция има положен кабел, по който се предават сигналите от датчиците за ниво – ГН, ДН.

Помпените агрегати са еднакви по тип и мощност на електродвигателя - 450Д90 + АД 630 kW, 6 kV, което означава: 450 – дебит на помпата в л/с; Д – центробежна едностъпална двустранно засмукваща; 90 – напор на помпата в метри; АД 630 kW, 6kV – асинхронен двигател с мощност 630 kW и напрежение 6 kV.

Включването и изключването на електродвигателя се осъществява с маломаслен прекъсвач. Захранването на помпената станция е с напрежение 20 kV, като за всеки помпен агрегат има трансформатор 20/6 kV, 1000 kVА. Маломаслени прекъсвачи има монтирани преди и след всеки трансформатор,  т. е. на 20 kV и 6kV. Защитите на електродвигателите са изпълнени с токови релета, включени с токови трансформатори в силовата верига, като се следят токовете на двете фази.

Тази защита не е достатъчно надеждна и защитава основно двигателя без да осигури ефективна защита на самата помпа. Когато помпата подава вода двигателя е натоварен като се следи работния ток да не превишава номиналния. Съществува и ситуация, при която двигателят работи, но помпата не подава вода, т. нар. сух ход. При такава ситуация е необходимо аварийно изключване на помпения агрегат.

Причини за това положение могат да са въздух в помпата, затворен шибър на напора или смукателя, останала ел. задвижка в затворено положение и др. При всяка от тези ситуации помпата спира да подава вода, наличната в нея завира и ако няма намеса от автоматиката или обслужващия персонал може да се стигне до сериозни проблеми.

Друг възможен проблем е ако веднага след включването на електромотора от пускателя (СУ), помпата започва да подава вода във водопровода при пълен дебит и е налице сериозен хидравличен удар и пуск на електродвигателя под товар. Това е сериозен недостатък на така съществуващата система.

Решение за тези проблеми е монтиране и включване в управлението на ел. задвижка. С нея хидравличният удар и тежкият пусков режим на електромотора ще се намалят значително, защото подаването на вода във водопровода ще става постепенно и двигателят ще тръгва на практика на празен ход.

Ако цялата система за управление е релейно-контакторна и е изпълнена с морално и физически остарели материали, налице са множество откази на системата и затруднен ремонт поради несъответствие на габарити и на някои характеристики на нови и стари апарати, то като първа стъпка в автоматизацията на помпената станция е управлението на пусково-спирачните режими с използване на ел. задвижки на напорния тръбопровод и автоматично управление на режима на работа по нивото в напорния резервоар, а също така превключване на режима на работа – основен, резервен.

На фиг. 2 е показана технологична схема, на която от четирите помпени агрегата работят един или два, а другите са в резерв. В процеса на работа всеки агрегат преминава от работен в резервен режим и обратно. Разделени са на две групи: помпен агрегат 1 и помпен агрегат 2 са първа група, а три и четири втора.

 В напорния резервоар са разположени датчиците за ниво, необходими за управлението на помпите. Всяка група има отделни датчици за горно и долно ниво в резервоара. Смисълът от тези датчици е, че при достигане на горно ниво помпата спира, а след отливане на долното ниво включва.

Електрическото табло може да бъде изпълнено с конвенционални релейно-контактни елементи, но може и да се модернизира с използване на програмируеми логически контролери – PLC.

 Всеки помпен агрегат се управлява от собствена система за управление СУ (СУ1, СУ2, …), която пуска и спира електродвигателя на помпата, а също така управлява логически ел. задвижката (СУ1.1, СУ2.1…), за да осигури пускане на празен ход на двигателя, а също така преди спиране да затвори напорния тръбопровод. Това е необходимо за премахване на хидравличните удари.

Основен проблем в експлоатацията на тези съоръжения възниква при аварийното спиране на агрегатите, когато задвижката остава отворена поради неизпълнение на заложения алгоритъм. В този случай за затварянето на ел. задвижката се използва резервно акумулаторно захранване или предварително зареден капацитет, оразмерено за еднократно затваряне. Интерфейсният блок осигурява дистанционното управление, което може да се осъществи по проводна връзка или по ефир с въвеждане на терминални радиоуправляеми модеми.

Автоматизация на помпени станции с PLC
При автоматизацията на помпени станции с PLC е необходимо да се спазват определени правила, които са свързани с правилната и безотказна работа на апаратурата.

Първо е необходимо да се формулира правилно алгоритъмът на работа, да се съставят таблиците на входовете и изходите, да се класифицират по вид – цифрови и аналогови, да се избере оптималният вид и конфигурация на контролер или група от контролери, разработка на приложния софтуер, визуализация на програмния продукт и накрая - реализация на пусково-наладъчните операции.

Статията продължава в следващ брой на сп. Екология & Инфраструктура, в който ще разгледаме възможностите за дистанционно автоматично управление на водоснабдителни обекти.