17 | 06 | 2019

Навчальний посібник Автоматизація технологічних процесів і систем автоматичного керування (частина 1)

ЗАПИТАННЯ

1. Коли система стійка? 2. Коли система знаходиться на межі стійкості? 3. Коли система нестійка? 4. Дайте визначення надійності, відмові, безвідмовності, довговічності, ремонтопридатності. 5. Чим характеризується працездатний і непрацездатний стан виробу? 6. Як визначається ймовірність безвідмовної роботи? 7. Від чого залежить та як визначається інтенсивність відмов? 8. Як визначається напрацювання на відмову? 9. Як визначається напрацювання на відмову з заданою імовірністю?

ТЕСТИ

1. Стійкість — це...

A. Властивість системи не повертатися в початковий стан після припинення дії збурення.

B. Властивість системи повертатися в початковий стан.

C. Властивість системи повертатися в початковий стан після припинення дії збурення.

2. Що необхідно для визначення стійкості системи?

A. РозвЯзати рівняння і визначити знаки дійсної частини кореня.

B. РозвЯзати рівняння.

C. Визначити знаки дійсної частини кореня.

3. Яких видів є відмови

A. Технологічні, раптові.

B. Технологічні, зношувальні, раптові.

C. Зношувальні, раптові

4. Справний – стан...

A. При якому виріб відповідає всім вимогам, що встановлені нормативно-технічною документацією.

B. Характеризується здатністю і нездатністю виробу виконувати задані функції із збереженням значень, параметрів відповідно до нормативно-технічної документації.

C. Коли виріб не відповідає хоча б одній із вимог.

5. Які показники надійності відносяться кількісних?

A. Ймовірність безвідмовної роботи, інтенсивність відмов, напрацювання на відмову, пошкодження.

B. Ймовірність безвідмовної роботи, інтенсивність відмов, напрацювання на відмову, середній термін служби, середній термін зберігання.

C. Ймовірність безвідмовної роботи, довговічність, середній термін служби, середній термін зберігання.

РОЗДІЛ 2. АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У ТВАРИННИЦТВІ ТА ПТАХІВНИЦТВІ.

2.1. АВТОМАТИЗАЦІЯ УСТАНОВОК ВОДОПОСТАЧАННЯ

2.1.1. Технологічні основи автоматизації водонасосних установок.

У сільському господарстві воду використовують для потреб населення і напування тварин, приготування їжі і кормів, поливу рослин, гасіння пожеж і для інших виробничих цілей.

Водопостачання сільськогосподарських споживачів добре механізоване і автоматизоване. Завдяки механізації і автоматизації людина практично звільнена від ручної праці при доставці і розподілі води на тваринницькі ферми і в побуті.

Для підйому і роздачі води застосовують водонасосні установки, що складаються з водоприймачів, очисних споруд, резервуарів чистої води або водонапірних башт, сполучної водопровідної мережі і електронасосів із станціями управління. Найбільш ширше в сільському господарстві поширені відцентрові і осьові насоси. Їх виконують в моноблоці з електродвигунами і занурюють у воду, в трубчасті колодязі діаметром 100...250 мм (заглибні насоси) або розташовують на поверхні землі. Є заглибні насоси з електродвигунами, розташованими над свердловиною. Ці насоси називають артезіанськими.

Для підйому води з відкритих водоймищ і шахтних колодязів застосовують також плаваючі відцентрові насоси. Широко розповсюдженні так звані об'ємно-інерційні насоси з електромагнітним вібраційним приводом. Ці насоси мають малу подачу води (до 1 м3/ч при при напорі 20 м). Сільське населення використовує їх в побуті.

У сільському господарстві застосовують водонасосні установки трьох типів: баштові з водонапірним баком, водонасосних установок з гідроакумулятором і з безпосередньою подачею води у водонапірну мережу. Майже в 90 % випадків використовують баштові водонасосні установки з витратою води до 30 м3/ч. Якщо витрата води складає 30...65 м3/ч, то рекомендують двохагрегатні насосні станції з гідроакумулятором. При витраті води більше 65 м3/ч економічно доцільно використовувати насосні установки з безпосередньою подачею води в розподільну мережу (зрошувальну систему).

2.1.2. Автоматизація безбаштових насосних установок.

Автоматизовані водопідіймальні установки з гідроакумуляторами призначенні для механізації і автоматизації водопостачання невеликих тваринницьких ферм чи інших об’єктів зі споживанням води до 30 м3/год. Компактність установок порівняно з баштовими дає змогу монтувати їх в одному із виробничих приміщень, що суттєво зменшує витрати на будівництво і монтаж. Обов’язковою умовою нормальної роботи установки з гідроакумулятором є безперебійне електропостачання об’єкту. Максимальні щогодинні витрати води на об’єкті мають не перевищувати подачі насоса у робочій зоні. Як водозабірні пристрої безбаштових водонасосних установок використовують трубчасті колодязі (для свердловинних електронасосних агрегатів), або відкриті водойми, шахтні та трубчасті колодязі (для відцентрових консольних насосів).

При використанні водонасосних установок з гідроакумулятором (рисунок 2.1.1) вода з водозабірного пристою насосом 5 подається на споживача. На відгалудженні трубопроводу встановлено гідроакумулятор 1 (двохкамерний бак), верхня і нижня камери якого розподілені гумовою мембраною 2. Верхня камера гідроакумулятора попередньо заповнюється повітрям до тиску Р1 – тиск ввімкнення насоса. Нижня камера з’єднана з трубопроводом. При споживанні води, коли тиск в системі менше по величині Р1, відбувається включення електронасоса. Коли споживання зменшується, вода заповнює нижню камеру гідроакумулятора і тиск повітряної подушки зростає до значення вимкнення насосного агрегату Р2. При відновленнї споживання, вода до споживача потрапляє під тиском повітря, що знаходиться над мембраною і цикл роботи водонасосної установки повторюється.

Рисунок 2.1.1. Технологічна схема водопідйомної установки з гідроакумулятором типу ВУ: 1 – гідроакумулятор; 2 – мембрана; 3 – реле тиску ; 4 – манометр; 5 – насос; 6 – запобіжний клапан; 7 – трьохходовий вентиль; 8 – протипожежний вентиль; 9 - трубопровід подачі води на споживача.

В безбаштових водонасосних установках з об’ємом бака 0,8 м3 гумова мембрана відсутня. В процесі експлуатації об’єм повітряної подушки такого баку постійно зменшується, тому що частина повітря розчиняється у воді. Це призводить до зменшення тиску водяної подушки. Для автоматичного підтримання об’єму повітряної подушки гідроакумулятора передбачено струминний регулятор запасу повітря.

Оскільки водонасосна установка відноситься до вибухонебезпечних, то при надмірному збільшені тиску води в гідроакумуляторі передбачено пристрій реагуючий на максимальне підняття мембрани і забезпечуючий вимкнення насосів. В випадках коли даний захист не здійснився спрацьовує запобіжний клапан.

Для ефективної роботи водонасосної установки, так як споживання води сільськогосподарських об’єктів є нерівномірним необхідно передбачити автоматичне керування насосом. Враховуючи будову, принцип дії та властивості даної водонасосної установки, керування насосом може проводитися по тиску повітря в верхній зоні гідроакумулятора. Структурна схема водонасосної установки з гідроакумулятором як об’єкта автоматизації показано на рисунку 2.1.2.

Рисунок 2.1.2. Структурна схема водонасосної установки з гідроакумулятором: Gв – подача води (вхідна дія); Рпов – тиск повітря в гідроакумуляторі (величина, що керується); Св – кількість води, що споживається (збурююча дія).

Принципова електрична схема керування водонасосною установкою з гідроакумулятором типу ВУ зображена на рисунку 2.1.3. Підготовка установки до роботи здійснюється автоматичним вимикачем QF. Про подачу напруги на щит керування та вимкнений стан насоса вказує сигнальна лампа HL1.

За допомогою перемикача SA1 задається "Ручний" чи "Автоматичний" режими керування установкою.

В "Автоматичному" режимі керування робота електродвигуна М залежить від стану контакту реле тиску SP. При споживанні води, коли тиск в системі менше по величині Р1 контакт SP буде в замкненому стані, відбувається включення електромагнітного пускача КМ електродвигуна насоса М насоса. Про включення насоса сигналізуватиме сигнальна лампа HL2. Коли споживання зменшується, вода заповнює нижню камеру гідроакумулятора і тиск повітряної подушки зростає до значення вимкнення насосного агрегату Р2, контакт реле тиску SP розімкнеться і електронасос буде вимкнений. При відновленнї споживання, вода до споживача потрапляє під тиском повітря, що знаходиться над мембраною і цикл роботи водонасосної установки повторюється.

В "Ручному" режимі керування управління насосною установкою здійснюється переводом перемикача SA1 в положення "Р" та нейтральне положення.

Вимикач SA2 Є вихідним елементом пристрою захисту, що реагує на максимальне підняття мембрани і забезпечує аварійне вимкнення насоса. Даний вид захисту потрібний при виході з ладу реле тиску, чи його розрегулюванні. Захист силових кіл від коротких замикань та перевантажень здійснюється автоматичним вимикачем QF, а кіл керування запобіжником FU. Контроль струмового завантаження двигуна насоса здійснюється амперметром РА.

Рисунок 2.1.3. Принципова електрична схема водонасосної установки з гідроакумулятором типу ВУ.

ЗАПИТАННЯ

1. Для чого призначена водопідйомна установка з гідроакумулятором? 2. Основні складові водопідйомної установки з гідроакумулятором. 3. Принцип дії безбаштової водонасосної установки.

4. Які засоби автоматизації використовуються в водопідйомній установці з гідроакумулятором?

ТЕСТИ

1. Які засоби автоматизації використовуються в безбаштовій водонасосній установці?

A. Електроконтактний манометр в напірному водопроводі.

B. Електродні датчики рівня води в водонапірному баку.

C. Реле тиску повітря в верхній частині бака.

2. В якій водонасосній установці використовуються реле тиску повітря в баку?

A. В безбаштовій водонасосній установці.

B. В водонасосні установці з контролем рівня води в водонапірному баку.

C. В установці відкачування стічних вод.

3. Використовуючи принципову електричну схему безбаштової водонасосної установки вкажіть за допомогою чого вмикається електродвигун насоса в автоматичному режимі?

A. Перемикачем SA1.

B. Перемикачем SА2.

C. Реле тиску SР

4. Використовуючи принципову електричну схему безбаштової водонасосної установки вкажіть за допомогою чого вмикається електродвигун насоса в ручному режимі?

A. Перемикачем SA1.

B. Реле тиску SР

C. Перемикачем SА2.

5. Використовуючи принципову електричну схему безбаштової водонасосної установки вкажіть коли розмикаються контакти реле тиску SР?

A. При максимальному споживанні води та мінімальному тиску повітря в гідроакумуляторі.

B. При мінімальному споживанні води та максимальному тиску повітря в гідроакумуляторі.

C. При піднятті мембрани в гідроакумуляторі.

2.1.3. Автоматизація баштових водонасосних установок

Особливістю водопостачання з використанням баштових водокачок є висока стабільність і надійність управління водопостачанням. Це пов’язано з тим, що резервуари підняті над поверхнею землі тобто башти, мають достатньо великий запас води.

Основними складовими баштових водонасосних установок є башти Рожновського та заглибний електронасосний агрегат. Заглибний електродвигун 1 (рисунок 2.1.4) у моноблоці з багатоступінчастим насосом 2 закріплюють на водопідйомних трубах 3 і опускають у свердловину 5. Труби підвішують до плити 7, встановленої в приміщенні 11. Свердловини виконують з обсадних труб діаметром 100...450 мм. Електродвигуни виконують сухими, напівсухими і заповненими маслом або водою. Найбільш поширені електродвигуни, заповнені водою. Змазують гумометалеві або пластмасові підшипники також водою.

20

19

Рисунок 2.1.4. Баштова водонасосна установка з заглибним електродвигуном: а) технологічна схема; б) електродний датчик рівня: 1-електродвигун; 2-насос; 3-водопідйомні труби; 4-хомути; 5-свердловина; 6-кабель живлення; 7-плита; 8-манометр; 9-запірна арматура; 10-напірний трубопровід; 11-приміщення водокачки; 12-башта; 13-переливна труба; 15-вентиляційний клапан;16-люк; 17, 18-драбини; 19-електрод датчика нижнього рівня; 20 - електрод датчика верхнього рівня; 21-загальний електрод.

До електродвигуна підводять кабель 6, закріплений на водопідйомних трубах хомутами 4. Всмоктувальна частина має сітку для затримання великих домішок, що знаходяться у воді. Бак башти 12 виконують звареним з листової сталі і встановлюють на цегельну, залізобетонну чи металеву опору. До бака підводять напірно-розвідний трубопровід 10. Кінець напірної труби доводять до верхнього рівня, а відвід води з бака відбувається через зворотний клапан біля нижнього рівня. Бак з зовнішньої і внутрішньої сторони обладнають сходами 17, 18, люком 16, вентиляційним клапаном 15, датчиками рівня 14 і водозливною трубою 13, що виключає перенаповнення бака водою. На водопроводі ставлять манометр 8 і засувки 9.

Основним параметром управління в такій системі є рівень води в резервуарі, який контролюється електродними датчиками рівня чи тиск води в напірному трубопроводі, який контролюється електроконтактним манометром. При роботі баштової водонасосної установки з заглибним електронасосним агрегатом, для агрегатів потужністю 4,5кВт і більше, використовують датчики "сухого ходу". Датчик "сухого ходу" унеможливлює роботу агрегату, коли рівень води в свердловині стає нижчим рівня його закріплення на напірному трубопроводі (приблизно 1м від верхнього краю електронасосного агрегату). Структурна схема баштової водонасосної установки як об’єкта автоматизації показано на рисунку 2.1.5.

Рисунок 2.1.5. Структурна схема баштової водонасосної установки: Gв – подача води (вхідна дія); LВ – рівень води в башті чи PВ – тиск води в напірному трубопроводі (величина, що керується); Св – кількість води, що споживається (збурююча дія).

На рисунку 2.1.6 показана принципова електрична схема керування баштовою водонасосною установкою за допомогою станції керування типу ПЭТ. Вона дозволяє в ручному й автоматичному режимах запускати і зупиняти електронасос, захищає електродвигун від перевантажень і коротких замикань за допомогою автоматичного вимикача QF, сигналізує за допомогою сигнальних ламп про включений і відключений стан насоса.

Ручне керування електронасосом здійснюють перемиканням перемикача в положення "Р", а відключення - перемиканням перемикача в положення "О".

Автоматичний режим керування задають перемиканням перемикача в положення "А". Якщо у башті немає води, то контакти (електроди) датчика верхнього SL1 і нижнього SL2 рівня розімкнуті. Отже, контакти реле КV:1 в ланцюзі котушки магнітного пускача КМ замкнуті. Магнітний пускач спрацьовує і включає електронасос М. По мірі накопичення води у башті перекриваються водою спочатку контакти SL2 нижнього рівня, а потім SL1 верхнього рівня, і реле КV через воду отримує живлення. Контактами КV:1 розривається ланцюг живлення магнітного пускача КМ, і електронасос відключається. Реле КV залишається включеним через контакти КV:2, SL1 і SL2. Воно відключиться тільки тоді, коли вода розімкне не тільки верхні контакти, але і нижні. У цьому випадку контакти КV:1 у ланцюзі магнітного пускача КМ викликають повторне включення електронасоса М.

Відключений стан насоса визначають по зеленій лампі НL1, а включений - по червоній лампі НL2.

На холодний період року вимикачем S включається електрообігрівач ЕК Датчика, що запобігає зледеніння і вмерзання електродів датчика рівня води в лід.

Реле КV вибрано постійного струму, тому що обмотка реле змінного струму при розімкнутому магнітопроводі могла б перегоріти при повільному заповненні водою верхнього проміжку датчиків рівня. Це може відбутися внаслідок того, що струм в обмотці реле змінного струму в даному випадку може наростати повільно до значення струму спрацьовування, що у кілька разів більше його номінального струму, коли магнітопровід цього реле замкнутий. Опір R2 вибирають таким, щоб при фазній напрузі мережі 220 В в колі електродних датчиків було безпечне значення напруги. Вода електропровідна і при значних значеннях напруги можливе ураження тварин та людей електричним струмом.

Рисунок 2.1.6. Принципова електрична схема керування баштовою водонасосною установкою по рівню води в башті (станція керування ПЕТ).

Розглянемо електричну схему автоматизованої роботи заглибного насоса з використанням датчика рівнів у баку водонапірної башти і датчика сухого ходу в свердловині біля насоса (рис 2.1.7.).

У нормальних умовах роботи заглибний насос знаходиться у воді, контакти датчика сухого ходу SL3 замкнуті, реле КV2 ввімкнено, його замикаючі контакти КV2.1 у ланцюзі котушки магнітного пускача КМ замкнуті, сигнальна лампа НL4 сигналізує про наявність води в зоні насоса.

Рисунок. 2.1.7. Принципова електрична схема автоматизації заглибного насоса за рівнем води у водонапірній башті

Режим роботи схеми задасться перемикачем SА1. При установці його в положення А (автоматичне) і включенні автомата QF подається напруга на електричну схему керування. Якщо рівень води в напірному баку знаходиться нижче нижнього рівня, то контакти SL1 і SL2 у схемі розімкнуті, реле КV1 знеструмленно і його контакти КV1.1 у ланцюзі котушки магнітного пускача КМ замкнуті. У цьому випадку магнітний пускач ввімкнеться і ввімкне електродвигун насоса, одночасно з цим згасне сигнальна лампа НL1 і загориться НL2. Насос буде подавати воду в напірний бак. Рівень води в баку буде підніматися. Коли вода заповнить проміжок простору між електродом нижнього рівня і корпусом датчика, підключеним до нульового заземленого проводу, контакти SL2 замкнуться, але реле КV1 не включиться, тому що його контакти КV1.2, включені послідовно з контактами SL2, розімкнуті. Коли вода досягне електрода верхнього рівня датчика, контакти SL1 замкнуться, реле КV1 включиться і, розімкнувши свої контакти КV1.1 у ланцюзі котушки магнітного пускача КМ, відключить останній, замкнувши замикаючі контакти КV1.2, стане на самопідживлення через нижні контакти датчика SL2. Електродвигун насоса відключиться, згасне сигнальна лампа НL2 і загориться НL1. Повторне включення електродвигуна насоса відбудеться при зниженні рівня води до положення, коли розімкнуться контакти SL2 і реле КV1 знеструмиться.

У випадку аварійного зниження рівня води в зоні заглибного насоса нижче припустимого положення, коли вода вийде з проміжку датчика сухого ходу і струм між електродом датчика сухого ходу і корпусом датчика (напірного трубопроводу) припиниться, що відповідає в електричній схемі розмиканню контактів датчика сухого ходу SLЗ, реле КV2 знеструмиться і розімкне контакти КV2.1 у ланцюзі котушки магнітного пускача КМ, що відключить електродвигун заглибного насоса. Лампа НL4 згасне, а НL5 загориться, сигналізуючи про аварійне зниження рівня води в свердловині чи в колодязі.

Для захисту електродвигуна заглибного насоса від перевантажень використаний пристрій ФУЗ-М, що більш надійно захищає електродвигун заглибного насоса як від перевантажень, так і від неповнофазних режимів роботи. Вимикачем SА2 можна включати сигнальну лампу НL3 для контролю рівня води в напірному баці. Якщо лампа НLЗ не горить, то насос не включається, або він включений, але не подає воду, бо подача насоса менша витрати споживачів у цей час.

Експлуатація датчиків рівнів, встановлених у баках водонапірних башт, скрутна особливо в зимовий період, коли потрібний їхній ремонт чи настроювання. При значних відстанях башти від станції керування економічно недоцільно монтувати лінії керування датчиків рівня та й імовірність обриву таких ліній велика.

У питаннях експлуатації датчики тиску більш зручні, тому що їх установлюють на напірному трубопроводі біля насосної станції з станцією керування. На жаль, промисловість не випускає спеціалізованих надійних датчиків тиску, що задовольняли би вимогам по регулюванню роботи баштових насосних установок зі зміною регульованого напору (висоти між верхнім і нижнім рівнем води в баку) у межах від 0,5 до 1,5 м. Як датчики тиску в основному використовують електроконтактні манометри ЕКМ, що можуть забезпечити заданий режим регулювання, подаючи сигнал на включення насосного агрегату при зменшенні води в напірному бакові до нижнього встановленого рівня, що відповідає тиску включення Р1, і подаючи сигнал на відключення при підйомі води до верхнього встановленого рівня, що відповідає тиску відключення Р2.

Принципова електрична схема керування електронасосним агрегатом по тиску води в напірному трубопроводі зображена на рисунку 2.1.8. Згідно зі схемою за допомогою автоматичного вимикача QF подається напруга на щит керування, який також забезпечує захист електродвигуна від коротких замикань і перевантажень. Про подачу напруги на щит керування та вимкнений стан електронасоса сигналізує лампа НL1. Режим керування установкою встановлюється перемикачем SA.

При наявності в свердловинні води в зоні заглибного насоса контакти датчика сухого ходу SL, будуть замкненні, а реле КV2 буде тримати в замкнутому стані свої контакти KV2.1 . При цьому коло котушки магнітного пускача КМ Готове до роботи.

Рисунок 2.1.8. Принципова електрична схема керування електронасосним агрегатом по тиску води в напірному трубопроводі.

В автоматичному режимі при зменшенні тиску, коли вода з бака витрачається споживачами при відключеному насосі, рухливий стрілочний контакт манометра буде переміщатися до нерухомого контакту 1, що відповідає тиску включення насоса Р1, і при його торканні магнітний пускач КМ включить електродвигун заглибного насоса і своїми замикаючими контактами КМ2 стане на самоблокування. Про роботу насосного агрегату сигналізуватиме лампа HL2. При включенні електронасосного агрегату в напірному трубопроводі виникає короткочасне підвищення тиску. У цьому випадку рухливий контакт манометра може торкнутися контакту 2, реле КV1 може короткочасно розімкнути свої контакти в ланцюзі котушки пускача КМ, але пускач не відключиться, тому що живлення його котушки буде здійснюватися через контакти реле часу КТ. Після розбігу електронасосного агрегату і стабілізації тиску реле часу розімкне свої контакти КТ. При підйомі води в напірному баку до установленого верхнього рівня, що відповідає тиску відключення Р2, рухливий контакт манометра торкнеться контакту 2. При цьому отримає живлення котушка реле КV1. Розмикаючи свої контакти КV1.1, відключить магнітний пускач КМ електродвигуна насоса. Внаслідок розбору води рівень її в напірному бакові буде знову знижуватися, тиск зменшиться і контакт знову торкнеться контакту 1. Робота схеми повториться.

При ручному керуванні електронасосом перемикач SA необхідно перевести з положення "О" в "Р" для ввімкнення електромагнітного пускача насоса КМ.

Для погашення короткочасних підвищень тиску, що діють на електроконтактний манометр у момент включення заглибного насоса, на відгалуженні до манометра встановлюють 1 чи 2 круглі пластинки з малими отворами, що демпфірують. Цієї мети можна досягти за допомогою вентиля, установленого на відгалуженні до манометра, ступінь відкриття встановлюється такий, при якій не виникає кидка тиску в манометрі при включенні насоса. У цих випадках реле часу КТ У схемі не потрібно.