Автоматизация насосов и насосных станций

Автоматизация насосных установок позволяет повышать надежность и бесперебойность водоснабжения, уменьшать затраты труда и эксплуатационные расходы, размеры регулирующих резервуаров.

Для автоматизации насосных установок кроме аппаратуры общего применения (контакторов, магнитных пускателей, переключателей, промежуточных реле) применяются специальные аппараты управления и контроля, например, реле контроля уровня, реле контроля заливки центробежных насосов, струйные реле, поплавковое реле, электродные реле уровня, различные манометры, датчики емкостного типа и др.

Станция управления — комплектное устройство до 1 кВ, предназначенное для дистанционного управления электроустановками или их частями с автоматизированным выполнением функций управления, регулирования, зашиты и сигнализации. Конструктивно станция управления представляет собой блок, панель, шкаф, щит.

Блок управления — станция управления, все элементы которого монтируют на отдельной плите или каркасе.

Панель управления — станция управления, все элементы которой монтируют на щитах, рейках или других конструктивных элементах, собранных на общей раме или металлическом листе.

Щит управления (щит станций управления ЩСУ) — это сборка из нескольких панелей или блоков на объемном каркасе.

Шкаф управления — станция управления, защищенная со всех сторон таким образом, что при закрытых дверях и крышках исключается доступ к токоведущим частям.

Автоматизация насосов и насосных станций , как правило, сводится к управлению погружным электронасосом по уровню воды в баке или давлению в напорном трубопроводе.

Рассмотрим примеры автоматизации насосных установок.

На рис. 1, а показана схема автоматизации простейшей насосной установки — дренажного насоса 1, а на рис. 1, б приведена электрическая схема этой установки. Автоматизация насосной установки осуществляется с помощью поплавкового реле уровня. Ключ управления КУ имеет два положения: для ручного и автоматического управления.

Рис. 1. Конструкция дренажной насосной установки (а) и ее электрическая схема автоматизации (б)

На рис. 2 приведена схема автоматизации управления погружным насосом по уровню воды в баке водонапорной башни, реализованная на релейно-контактных элементах .

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема автоматизации погружным насосом по уровню воды в баке- водонапорной башни

Режим работы схемы автоматизации насосом задается переключателем S А1. При установке его в положение «А» и включении автоматического выключателя QF подается напряжение на электрическую схему управления. Если уровень воды в напорном баке находится ниже электрода нижнего уровня датчика ДУ, то контакты SL 1 и SL 2 в схеме разомкнуты, реле К V 1 обесточено и его контакты в цепи катушки магнитного пускателя КМ замкнуты. В этом случае магнитный пускатель включит электродвигатель насоса, одновременно погаснет сигнальная лампа Н L 1 и загорится лампа Н L 2. Насос будет подавать воду в напорный бак.

Когда вода заполнит пространство между электродом нижнего уровня SL 2 и корпусом датчика, подключенным к нулевому проводу, цепь SL 2 замкнется, но реле K V1 не включится, так как его контакты, включенные последовательно с SL 2, разомкнуты.

Когда вода достигнет электрода верхнего уровня, цепь SL 1 замкнется, реле К V 1 включится и, разомкнув свои контакты в цепи катушки магнитного пускателя КМ, отключит последний, а замкнув замыкающие контакты, станет на самопитание через цепь датчика SL 2. Электродвигатель насоса отключится, погаснет сигнальная лампа Н L 2 и загорится лампа Н L 1. Повторное включение электродвигателя насоса произойдет при понижении уровня воды до положения, когда разомкнётся цепь SL 2 и реле К V 1 будет отключено.

Включение насоса в любом режиме возможно только в том случае, если замкнута цепь датчика «сухого хода» ДСХ ( SL 3), контролирующего уровень воды в скважине.

Основным недостатком управления по уровню является подверженность обмерзанию электродов датчиков уровня в зимнее время, из-за чего насос не выключается и происходит переливание воды из бака. Бывают случаи разрушения водонапорных башен из-за намерзания большой массы льда на их поверхности.

При управлении работой насоса по давлению электроконтактный манометр или реле давления можно смонтировать на напорном трубопроводе в помещении насосной. Это облегчает обслуживание датчиков и исключает воздействие низких температур.

На рис. 3 приведена принципиальная электрическая схема управления башенной водоснабжающей (насосной) установкой по сигналам электроконтактного манометра (по давлению) .

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема управления башенной водоснабжающей установкой от электроконтактного манометра

При отсутствии воды в баке контакт манометра S Р1 (нижний уровень) замкнут, а контакт S Р2 (верхний уровень) разомкнут. Реле КV1 срабатывает, замыкая контакты КV1.1 и КV1.2, в результате чего включается магнитный пускатель КМ, который подключает электронасос к трехфазной сети (на схеме силовые цепи не показаны).

Насос подает воду в бак, давление растет до замыкания контакта манометра S Р2, настроенного на верхний уровень воды. После замыкания контакта S Р2 срабатывает реле К V 2, которое размыкает контакты К V 2.2 в цепи катушки реле КV1 и КV2.1 в цепи катушки магнитного пускателя КМ; электродвигатель насоса отключается.

При расходе воды из бака давление снижается, S Р2 размыкается, отключая К V 2, но включение насоса не происходит, так как контакт манометра S Р1 разомкнут и катушка реле КV1 обесточена. Таким образом, включение насоса происходит, когда уровень воды в баке снизится до замыкания контакта манометра S Р1.

Питание цепей управления производится через понижающий трансформатор напряжением 12 В, что повышает безопасность обслуживания схемы управления и электроконтактного манометра.

Для обеспечения работы насоса при неисправности электроконтактного манометра или схемы управления предназначен тумблер S А1. При его включении шунтируются управляющие контакты КV1.2, КV2.1 и катушка магнитного пускателя КМ непосредственно подключается к сети напряжением 380 В.

В разрыв фазы L1 в цепь управления включен контакт РОФ (реле обрыва фазы), который размыкается при неполнофазном или несимметричном режиме питающей сети. В этом случае цепь катушки КМ разрывается и насос автоматически отключается до устранения повреждения.

Защита силовых цепей в данной схеме от перегрузок и коротких замыканий осуществляется автоматическим выключателем.

На рис. 4 приведена схема автоматизации водонасосной установки, которая содержит электронасосный агрегат 7 погружного типа , размещенный в скважине 6. В напорном трубопроводе установлены обратный клапан 5 и расходомер 4.

Насосная установка имеет напорный бак 1 (водонапорная башня или воздущно-водяной котел) и датчики давления (или уровня) 2, 3, причем датчик 2 реагирует на верхнее давление (уровень) в баке, а датчик 3 — на нижнее давление (уровень) в баке. Управление насосной станцией обеспечивает блок управления 8.

Рис. 4. Схема автоматизации водонасосной установки с частотно-регулируемым электроприводом

Управление насосной установкой происходит следующим образом. Предположим, что насосный агрегат отключен, а давление в напорном баке уменьшается и становится ниже Р min . В этом случае от датчика поступает сигнал на включение электронасосного агрегата. Происходит его запуск путем плавного увеличения частоты f тока, питающего электродвигатель насосного агрегата.

Когда частота вращения насосного агрегата достигнет заданного значения, насос выйдет на рабочий режим. Программированием режима работы частотного преобразователя можно обеспечить нужную интенсивность разбега насоса, его плавный пуск и останов.

Применение регулируемого электропривода погружного насоса позволяет реализовать прямоточные системы водоснабжения с автоматическим поддержанием давления в водопроводной сети.

Станция управления, обеспечивающая плавный пуск и останов электронасоса, автоматическое поддержание давления в трубопроводе, содержит преобразователь частоты А1, датчик давления ВР1, электронное реле А2, схему управления и вспомогательные элементы, повышающие надежность работы электронного оборудования (рис. 5).

Схема управления насосом и преобразователь частоты обеспечивают выполнение следующих функций :

— плавный пуск и торможение насоса;

— автоматическое управление по уровню или давлению;

— защиту от «сухого хода»;

— автоматическое отключение электронасоса при неполнофазном режиме, недопустимом снижении напряжения, при аварии в водопроводной сети;

— защиту от перенапряжений на входе преобразователя частоты А1;

— сигнализацию о включении и выключении насоса, а также об аварийных режимах;

— обогрев шкафа управления при отрицательных температурах в помещении насосной.

Плавный пуск и плавное торможение насоса осуществляют с помощью преобразователя частоты А1 типа FR -Е-5,5к-540ЕС.

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема автоматизации погружным насосом с устройством плавного пуска и автоматического поддержания давления

Электродвигатель погружного насоса подключается к выводам U , V и W преобразователя частоты. При нажатии кнопки S В2 «Пуск» срабатывает реле К1, контакт которого К1.1 соединяет входы STF и РС преобразователя частоты, обеспечивая плавный пуск электронасоса по программе, заданной при настройке частотного преобразователя.

При аварии частотного преобразователя или цепей электродвигателя насоса замыкается цепь А-С преобразователя, обеспечивая срабатывание реле К2. После срабатывания К2 замыкаются его контакты К2.1, К2.2, а контакт К2.1 в цепи К1 размыкается. Происходит отключение выхода частотного преобразователя и реле К2. Повторное включение схемы возможно только после устранения аварии и сброса защиты кнопкой 8В3.1.

Датчик давления ВР1 с аналоговым выходом 4. 20 мА подключен к аналоговому входу частотного преобразователя (контакты 4, 5), обеспечивая отрицательную обратную связь в системе стабилизации давления.

Функционирование системы стабилизации обеспечивается ПИД-регулятором преобразователя частоты. Требуемое давление задается потенциометром К1 или с пульта управления частотного преобразователя. При «сухом ходе» насоса в цепи катушки реле КЗ замыкается контакт 7-8 электронного реле сопротивления А2, к контактам которого 3-4 подключен датчик «сухого хода».

После срабатывания реле КЗ замыкаются его контакты К3.1 и КЗ.2, в результате чего срабатывает реле защиты К2, обеспечивая отключение электродвигателя насоса. Реле КЗ при этом становится на самопитание через контакт К3.1.

При всех аварийных режимах зажигается лампа НL1; лампа НL2 зажигается при недопустимом снижении уровня воды (при «сухом ходе» насоса). Подогрев шкафа управления в холодное время года осуществляется с помощью электронагревателей ЕК1. ЕК4, которые включаются контактором КМ1 при срабатывании термореле ВК1. Защита входных цепей преобразователя частоты от коротких замыканий и перегрузок осуществляется автоматическим выключателем QF1.

В статье использованы материалы книги Дайнеко В.А Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Автоматизация башенных водокачек

До 90 % насосных устано­вок сельскохозяйственного водоснабжения составляют башенные водокачки Рожновского с погружными электродвигателями (рисунок 2, а).

Рисунок 2 – Башенная водокачка с погружным электродвигате­лем (а), схема датчика уровня воды (б) и принципиальная электрическая схема управле­ния (в):

1 — электродвигатель; 2 — насос; 3 — водоподъемная труба; 4 — хо­мут; 5 — скважина;

6 — электри­ческий кабель; 7 — плита; 8 — манометр; 9 — задвижка; 10 — трубо­провод;

11 — помещение; 12 — бак; 13 — водосливная труба; 14 — датчик уровня воды; 15 — клапан;

16 — люк; 17, 18 — лест­ницы; 19 — скоба; 20 — защитный корпус; 21, 22, 23 — трубчатые электроды соответственно верхнего уровня, общий и нижнего уровня

Погружные электронасосы типа ЭЦВ (Э — электро­погружной, Ц — центробежный, В — для воды) выпускают произ­водительностью 0,63-1000 м 3 /ч при напоре 12-680 м, Погружной электродвигатель 1 в монолите с многоступенчатым насосом 2 закрепляют на водоподъемных трубах 3 и опускают в скважину 5. Трубы подвешивают к плите 7, установленной в помещении 11. Скважины выполняют из обсадных труб диаметром 100…450 мм. Электродвигатели выполняют сухими, полусухими и заполненны­ми маслом или водой. Наиболее распространены электродвигате­ли, заполненные водой. Резинометаллические или пластмассовые подшипники их смазываются также водой. К электродвигателю подводят кабель 6, закрепленный на водоподъемных трубах хому­тами 4. Всасывающая часть имеет сетку, задерживающую крупные примеси, находящиеся в воде.

Бак 12 водонапорной башни выполняют сварным из листовой стали и устанавливают на кирпичную, железобетонную или метал­лическую опору. К баку подводят напорно-разводящий трубопровод 10. Конец напорной трубы доводят до верхнего уровня, а от­вод воды из бака происходит через обратный клапан у нижнего уровня. Бак оборудуют внешней 17 и внутренней 18 лестницами, люком 16, вентиляционным клапаном 15, датчиками уровня 14 и водосливной трубой 13, исключающей перенаполнение бака во­дой в случае неотключения насоса от датчиков верхнего уровня. На водопроводе ставят манометр 8 и задвижки 9.

Электродный датчик уровня (рисунок 2, б) состоит из защитного корпуса 20, скобы 19 для крепления датчика в баке и трубчатых электродов: верхнего уровня 21, нижнего уровня 23 и общего 22. Внутри центрального электрода расположен нагревательный эле­мент, который включают в холодное время для исключения обмерзания электродов.

На рисунке 2, в показана электрическая схема управления типа ПЭТ башенной насосной водокачкой. Она позволяет в руч­ном и автоматическом режимах пускать и останавливать электро­насос, защищает электродвигатель от перегрузок и коротких замыканий, сигнализирует с помощью сигнальных ламп о включен­ном и отключенном состоянии насоса.

Вручную электронасос включают, пере воля переключатель SA в положение Р, а отключают— переводя его в положение О.

Автоматический режим работы задают, переводя переключа­тель SA в положение А. Если в башне нет воды, то контакты (электроды) датчиков верхнего SL1 и нижнего SL2 уровней разом­кнуты, следовательно, контакты KV:1 реле КV в цепи катушки магнитного пускателя КМ замкнуты. Магнитный пускатель сраба­тывает и включает электронасос М. По мере накопления воды в башне перекрываются водой сначала контакты SL2 нижнего уров­ня, а затем SL1 верхнего уровня, и реле KV через воду получает питание. Контактами KV:1 оно разрывает цепь питания магнитно­го пускателя КМ, и электронасос отключается. Реле KV остается включенным через контакты SL1, КV:2 и SL2. Оно отключится только тогда, когда вода разомкнет не только верхние контакты, но и нижние. В этом случае контакты KV:1 в цепи магнитного пускателя КМ вызовут повторное включение электронасоса М. Отключенное состояние насоса определяют по зеленой лампе HL1, а включенное — по красной лампе HL2.

Для защиты двигателя применены тепловые расцепители маг­нитного пускателя КМ и автомата QF. На холодный период года выключателем S включается электрообогреватель ЕК датчика, предотвращающий обледенение и вмерзание электродов датчика уровня воды в лед. Кроме рассмотренной станции управления типа ПЭТ, работающей с электродвигателями мощностью от 1 до 6 кВт, применяют другие станции управления аналогичного типа, а также систему автоматического управления насосными агрегата­ми с бесконтактными станциями управления типа ШЭТ и «Кас­кад».

Станции управления насосными агрегатами

Бесконтактная станция управления тина ШЭТ выполнена на полупроводниковых логических элементах. По сравнению с контак­тными схемами бесконтактные станции дороже, но удорожание окупается увеличением срока службы и надежности работы как самой системы управления, так и электродвигателя. Для защиты электродвигателя от перегрузок и КЗ имеется специальный блок защиты.

Принципиальная схема станции (рисунок 3) работает следую­щим образом.

Рисунок 3 — Принципиальная эл. схема управления водонасосной станцией типа ШЭТ

При отсутствии воды в водонапорной башне кон­такты датчиков верхнего SL1 и нижнего SL2 уровней разомкнуты. Вследствие этого на входах Вх.5 и Вх.6 сдвоенного логического элемента ИЛИ — НЕ сигналы отсутствуют, а на его выходе сигна­лы появляются и через диоды VD8 и VD9 поступают на усилитель У, который усиливает входной сигнал, вызывающий срабатывание промежуточного реле KV и загорание сигнальной лампы HL. Реле KV своими контактами включает магнитный пускатель КМ, а последний — электронасос М.

По мере заполнения башни водой сна­чала замыкаются контакты датчика SL2 нижнего уровня, а затем контакты датчика SL1 верхнего уровня. При замыкании контактов SL2 на Вх.6 подается отрицательный потенциал, вследствие чего на диоде VD9 выходной сигнал исчезает, а на диоде VD8 выходной сигнал есть, благодаря чему насос не отключается. Когда вода за­мыкает контакты датчика SL1 верхнего уровня, на Вх.5 поступает сигнал и на диоде VD8 выходной сигнал также исчезает. Вслед­ствие этого лампа НL и реле KV отключаются, что вызывает вык­лючение электронасоса.

При расходе воды вначале размыкаются контакты SL1 верхнего уровня, но это не приводит к включению электродвигателя, так как вместо выходного сигнала от датчика на вход Вх.5 через диод VD7 и реле KV подается отрицательный потенциал от источника — 24 В. При размыкании контактов SL2 нижнего уровня на Вх.6 сиг­нал исчезает, что вызывает автоматическое повторное включение электронасоса.

Элементы логики и выдержки времени D, а также элемент ИЛИ вместе с блоком питания БП2 защищают двигатель от пере­грузок и работы в аварийных режимах. Датчиком тока служит трансформатор тока ТА, выпрямленный ток которого поступает на потенциометр RP. Посредством потенциометра RP устанавли­вают значение токов срабатывания защиты при перегрузках и ко­ротких замыканиях электродвигателя. При токах перегрузки сра­батывает бесконтактное реле, с которого на вход Вх.3 поступает сигнал, вызывающий срабатывание элемента выдержки времени D.

С элемента D сигнал с выдержкой времени через элемент ИЛИ поступает на вход Вх.5 элемента ИЛИ — НЕ, что вызывает отклю­чение реле KV и электронасоса М. При токах КЗ напряжение на потенциометре RP возрастает в несколько раз, вследствие чего открывается стабилитрон VD2 и через вход Вх.2 на элемент D поступает сигнал, минуя цепочку выдержки времени в элементе D. С элемента D сигнал последовательно поступает на входы Вх.4 и Вх.5 и исчезает у входа Вх.7, что вызывает отключе­ние электронасоса без выдержки времени.

Станция ШЭТ позволяет управлять электронасосом при помо­щи телемеханики. Для этого устанавливают реле приема телесиг­налов управления, контакты KV2 и КV1 которых соответственно включают и отключают электронасос. Параллельно контактам можно установить кнопочные станции для дистанционного вклю­чения и отключения насоса. Логические элементы питаются от блока питания БП1, который подключается к электрической сети выключателем S.

Комплектная станция «Каскад». (рисунок 4).

Станция предназначена для автоматичес­кого и дистанционного управления погружными электродвигате­лями (мощностью от 1 до 65 кВт) водонасосных и дренажных станций. В станции предусмотрена защита электродвигателя от перегрузок, коротких замыканий и сухого хода, т.е. от работы двигателя без воды (для двигателей мощностью 4,5 кВт и выше).

Рисунок 4 – Функциональная схема устройства «Каскад». Условные обозначения:

ДСХ – датчики сухого хода; ЯЗ — ячейка защити; ЯП — ячейка питания;

РИВ, РИО — контак­ты реле исполнительных включений и отключений;

КВУ, КНУ — контакты датчиков верхнего и нижнего уровней воды; ДДВ — контакты датчика давления воды; ЯУУ — ячейка управления по уровню;

ЯУД — ячейка управлении по давлению

Станция управления «Каскад» может работать в двух режимах: управление по уровню и давлению. Однако серийные станции обычно рассчитаны на один из режимов, как правило, управление по уровню. В этом режиме команда на включение на­соса вырабатывается ячейкой управления по уровню (ЯУУ) при опорожнении бака (контакты датчика верхнего КВУ и нижнего КНУ уровней разомкнуты). Эта команда поступает в выходной узел (ВУ) и через определенное время (до 30 с), устанавливаемое при наладке, включается реле K1 и магнитный пускатель КМ.

Когда уровень воды достигнет контактов датчика КВУ, ячейка ЯУУ вырабатывает команду на отключение насоса. Команда по­ступает в ВУ, реле К1 и пускатель КМ обесточивается. При паде­нии уровня воды ниже местоположения датчика КНУ цикл повто­ряется.

Возможно также использование станции «Каскад», оборудо­ванной ячейкой управления по давлению ЯУД (ячейка ЯУУ отсут­ствует). При снижении уровня воды в водонапорной башне уменьшается давление воды в водопроводе, фиксируе­мое датчиком давления воды ДДВ. При замыкании контактов это­го датчика ячейка ЯУД выдает команду на включение насоса, ко­торая запоминается ВУ. При этом насос остается включенным не­зависимо от состояния ДДВ. Отключение насоса произойдет через определенное время, необходимое для заполнения бака (резервуа­ра) водой. Это время (5-90 мин) устанавливается обслуживающим установку персоналом. Повторно насос включается автом-ски после понижения уровня воды в баке и замыкания контактов ДДВ.

Работа насосной установки в режиме дренажа аналогична работе в режиме водоподъема, но датчики КВУ и КНУ в схеме заменя­ются переключателем S.

При перегрузке или обрыве питающей фазы возрастает ток, по­требляемый двигателем, и ячейка зашиты (ЯЗ) подает команду ВУ на отключение двигателя.

При понижении уровня воды в скважине контакты датчика су­хого хода размыкаются и ячейка ЯЗ подает команду на отключе­ние двигателя и включение сигнальной лампы HL2. Повторный пуск насоса после аварийных отключений возможен после опре­деления и устранения причины аварийного отключения и повтор­ной подачи напряжения в схему автоматическим выключателем QF.

В случае кратковременного (до 30 с) исчезновения питающего напряжения происходит самопуск насоса. Возможны также дис­танционное включение и останов станции «Каскад» при замыка­нии контактов соответственно РИВ и РИО.

Автоматизация гидромелиоративных систем (ГС)

Общие сведения. Под гидромелиоративной системой (ГС) понимают совокупность оросительных, осушительных и обводнительных си­стем, создающих благоприятный водный режим для развития рас­тений.

Оросительная система предназначена для пополнения запасов воды в недостаточно увлажненной почве и применяется в тех зо­нах, где растения систематически испытывают недостаток в воде. Система состоит из водозаборных сооружений, магистральных ка­налов и распределительной сети по участкам орошения.

Осушительная система предназначена для отвода избытка воды и осушения избыточно увлажненных и заболоченных земель. Она состоит из открытых водосточных каналов, закрытых дренажных водотоков и других устройств.

Обводнительная система предназначена для снабжения водой населенных пунктов, сельскохозяйственных животных и птицы в степных и полупустынных районах, не имеющих естественных во­доисточников. Система состоит из прудов, небольших каналов и колодцев. Обводнительная система имеет менее разветвленную распределительную сеть, чем оросительная.

Автоматизация ГС имеет свои осо­бенности, обусловленные следующими специфическими свой­ствами объектов управления:

Во-первых, объекты управления отличаются большими мощ­ностями установок и значительной рассредоточенностью по пло­щади. Управляемые объекты связаны через водную среду, вслед­ствие этого имеет место взаимное влияние между ними, напри­мер, изменение уровня или расхода воды в одном канале вызывает изменение этих же параметров в соседних каналах. Таким обра­зом, процесс автоматического регулирования должен учитывать связь между регулируемыми параметрами на большой территории.

Во-вторых, все оборудование гидротехнических сооружений, начиная от мощных головных водозаборных устройств и кончая выпускными устройствами на поле, должно работать синхронно и согласованно. В водоводах существует естественная прямая гидравлическая связь от вышележащих водозаборных сооружений к нижележащим водовыпускным. Для автоматизации таких систем необходима организация телемеханических каналов связи.

В-третьих, составленные ранее планы водоиспользования тре­буют постоянной корректировки в зависимости от атмосферных условий, поведения грунтовых вод, состояния источников воды для орошения и других факторов. Поэтому для централизованного управления такими рассредоточенными системами и своевремен­ной корректировки режимов их работы требуется автоматизация процессов сбора и передачи на диспетчерские пункты управления большого количества информации о состоянии отдельных звеньев и параметров многочисленных объектов, исчисляемых сотнями. Число измерительных и исполнительных органов должно быть та­ким, чтобы обеспечивалось надежное управление и контроль за параметрами во всех зонах оросительной сети.

В-четвертых, процесс распределения воды характеризуется большим запаздыванием и малыми скоростями увеличения и уменьшения расходов, особенно в открытых каналах. Поэтому для обеспечения непрерывного управления и потребления воды сле­дует иметь резервные объемы и емкости и знать характеристики системы как в установившихся, так и в переходных режимах.

В-пятых, большинство водохозяйственных установок работает на открытом воздухе, в основном в вегетативный период, а в зим­ний период они находятся в нерабочем состоянии и при несоблю­дении условий хранения разрушаются.

При всем многообразии объекты гидромелиоративных систем можно разделить на такие основные группы:

— головные водозаборные и магистральные сооружения;

— регулируемые гидротехнические сооружения линейного вододеления с электрическими или гидравлическими ИМ;

— насосные станции машинного водоподъема для питания дож­девальных машин, осушительных систем и т.д.;

— насосные установки артезианских скважин вертикального дре­нажа, орошения и водоснабжения;

— мелиорированные поля при различных способах управления влажностью почвы.

Рассмотрим общие подходы к автоматизации таких важнейших гидромелиоративных процессов, как водоподача, водораспределение и регулирование влажностного режима почв.

Автоматизация водораспределения. Существуют открытые (ка­налы) и закрытые (трубопроводы) системы водораспределения. Автоматизация открытой системы водораспределения и регули­рования уровня воды основывается на стабилизации уровня в вер­хнем или нижнем бьефах гидротехнических сооружений. Суще­ствует несколько способов регулирования, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки и должен быть соотнесен с местными условиями.

При регулировании по верхнему бьефу головное сооружение магис­трального канала оборудуют средствами автоматизации, обеспечи­вающими поступление в оросительную систему заданного количе­ства воды независимо от колебаний уровня воды в нижнем бьефе.

Распределение поступающей в систему воды обеспечивается за счет установки в магистральном канале перегораживающих соору­жений (рисунок 5), автоматически поддерживающих уровень в вер­хнем бьефе. Регулятор уровня действует по многопозиционному принципу, позволяя регулировать степень подъема заграждения 1. Специальное реле времени предупреждает срабатывание регуля­тора при случайных колебаниях уровня воды верхнего бьефа.

Рисунок 5 – Схема стабилизации верхнего бьефа:

1 – заграждение; 2 – привод заграждении

Особенность схемы регулирования по верхнему бьефу заключается в том, что между бьефами магистрального ка­нала, образовавшимися в результате ус­тановки автоматических регуляторов уровня, существует только прямая гид­равлическая связь. В результате при прекращении полива какого-то участка и закрытии соответствующе­го водовыпуска излишний расход воды поступает в нижерасполо­женный бьеф, из него в следующий и т.д. При этом все нижераспо­ложенные перегораживающие сооружения сохраняют постоянный уровень в своих бьефах, но вся избыточная вода уходит на сброс.

В случае незапланированного увеличения потребления воды одним из потребите-лей все нижерасположенные перегораживаю­щие сооружения автоматически перекрыва-ются, транзитные рас­ходы уменьшаются и наиболее удаленные потребители не получа­ют достаточного количества воды.

Регулирование по верхнему бьефу дает наибольший эффект при оснащении системы средствами автоматики и телемеханики, обеспечивающими управление и оперативный контроль за состоя­нием всех сооружений системы и позволяющими оперативно уст­ранять отклонения от заданного режима работы, обеспечивая ба­ланс между водозабором и водопотреблением.

При регулировании по нижнему бьефу разбор воды потребителя­ми не ограничивается. Информация о разборе воды передается на головное сооружение для автоматического регулирования подачи воды в оросительную систему путем установки по длине магист­рального канала заграждений, оборудованных автоматикой под­держания уровня в своих нижних бьефах. При этом способе регу­лирования между бьефами магистрального канала существует не только прямая, но и обратная гидравлическая связь. В результате каждое изменение режима работы нижерасположенного бьефа вызывает перестройку работы всех вышерасположенных сооруже­ний, включая и головное, которое, кстати, также оборудуют авто­матическим регулятором, стабилизирующим уровень в начале ма­гистрального канала.

Например, при увеличении потребления воды на каком-то уча­стке оросительной системы автоматически открывается вышерас­положенное заграждение, поддерживая уровень в нижнем бьефе. Понижение уровня в верхнем бьефе отрабатывается следующим заграждением вплоть до головного сооружения, увеличивающего подачу воды в магистральный канал.

Преимущество этого способа регулирования — наличие посто­янного резерва воды, распределённого в бьефах магистрального канала.

Смешанное регулирование — это регулирование по нижнему бье­фу, дополненное ограничениями колебаний максимальных и ми­нимальных уровней в верхних бьефах. Этот способ исключает опасность переполнения бьефов и перелива воды через бровку ка­нала в случае аварии на головном сооружении.

Такая система в нормальных условиях осуществляет регулиро­вание по нижнему бьефу, а в случае опасности переполнения или опорожнения магистрального канала переключается на регулиро­вание по верхнему бьефу, поддерживая уровни за счет увеличения или уменьшения концевого сброса.

Регулирование непосредственным отбором расходов не требует установки перегораживающих заграждений. Отводы оборудуют автоматическими устройствами, позволяющими стабилизировать расходы воды независимо от уровня в маг-ном канале.

В общем случае способ регулирования водораспределения дол­жен быть определен технико-экономическим расчетом, учитыва­ющим рельеф местности, водные ресурсы, мелиоративное состоя­ние земель, режим орошения и другие факторы.

Закрытые оросительные системы (ЗОС) по сравнению с открытыми обладают такими преимуществами, как меньшие потери воды на сбросы, испарение и фильтрацию, меньшее число регулирующих устройств, сокращение транспортирующей сети и повышение ко­эффициента использования земли.

Водораспределение в ЗОС проис­ходит так же, как и при регулировании по верхнему бьефу в от­крытых каналах, поскольку поступившая в систему вода распреде­ляется посредством автоматизированных гидрантов, задвижек и водовыпусков, работа которых контролируется с диспетчерского пункта так же, как и работа головного сооружения, представляю­щего собой насосную станцию или водозаборный гидроузел (при комбинированной, т.е. самотечно-напорной системе).

Автоматизация процессов управления влажностным режимов почв

Поверхностное орошение — наиболее простой способ, при кото­ром используются закрытые трубопроводы или открытые лотки. Вода распределяется системой распределительных и поливных лотков, оборудованных гидравлическими регуляторами расхода.

Дождевание — распространенный способ машинного ороше­ния, эффективно повышающий влажность и снижающий темпе­ратуру в приземном слое воздуха. Дождевальные системы хорошо поддаются механизации и автоматизации.

Принципиальная схема стационарной системы дождевания с программным управлением представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Принципиальная схема ав-­зации стационарной системы дождевания:

1 — насосная станция; 2 — перепускной клапан; 3 — напорный клапан; 4 – магистральный на­порный трубопровод; 5 — поливные трубопроводы; 6 — дождевальные аппараты

Система состоит из на­сосной станции 1, магистрального напорного трубопровода 4 и поливных трубопроводов 5 с установленными на них дождеваль­ными аппаратами 6, каждый из которых подключен к трубопрово­ду через трехпозиционный гидроклапан. При подаче воды в на­порный трубопровод открываются гидроклапаны дождевальных аппаратов первого ряда (ближайшие к напорному трубопроводу). Через заданное время программное устройство KS1 формирует кратковременный импульс снижения давления в напорном трубо­проводе за счет закрытия напорного клапана 2 и открытия перепускного клапана 3. Каждый такой импульс приводит к закрытию гидроклапанов действующего ряда дождевальных аппаратов и от­крытию следующего.

Преимущество описанной системы — отсутствие необходимос­ти в специальных каналах связи на орошаемой площади, недоста­ток — возможность изменения нормы полива только от одного дождевального аппарата к другому в строгой последовательности.

Значительно более совершенны системы дождевания с широ­козахватными дождевальными машинами типа «Фрегат», «Вол­жанка», ДМ и т. д. «Фрегат» представ-ляет собой самоходную дождевальную машину с гидравлическим приводом передвиже­ния, представляющую собой водоподводяший трубопровод с дождевальными аппаратами, установленный на тележках. Тележ­ки перемещаются по кругу вокруг неподвижной опоры, совме­щенной с гидрантом для подачи воды в трубопровод. При этом каждая тележка имеет свой гидропривод, который работает за счет энергии воды, поступающей из трубопровода. Оригиналь­ная схема гидропривода (рисунок 7) позволяет решить две задачи: автоматическое управление передвижением и управление про­цессом дождевания.

Рисунок 7 – Схема гидропровода передвижения дождевальной машины «Фрегат»:

3 — возвратная пружина; 10 — гибкий шланг; 13 — регулирующий стержень;

Вода из водоподводящего трубопровода 14 через регулирую­щий клапан 11 поступает в распределительный клапан-распреде­литель 4. Если плунжер клапана-распределителя находится в верх­нем положении, то вода по пустотелому штоку 7 поршня 8 посту­пает в цилиндр 9. Так как поршень закреплен на опоре машины неподвижно, а цилиндр способен передвигаться, то под давлением воды он перемещается вверх, поворачивая колеса 1 тележки на определенный угол через систему рычаг 5 — толкатель 2.

В крайнем верхнем положении цилиндра рычаг 5 переводит рычажный переключатель 6 и связанный с ним плунжер клапана-распределителя 4 в нижнее положение. В результате цилиндр от­секается от трубопровода, сообщается со сливом и под действием собственного веса опускается, а вода при этом сливается. Толка­тель 2 перемещается вправо и входит в зацепление со следующими зацепами колес.

В крайнем нижнем положении цилиндра рычажный переклю­чатель 6 перемещает плунжер клапана-распределителя вниз и цикл повторяется. Естественно, что для сохранения линейности трубопровода тележки, находящиеся на разном расстоянии от оси, должны двигаться с разной линейной скоростью. Схема гидро­привода тележек обеспечивает это условие.

При отставании тележки изгибается прилегающий к ней учас­ток трубопровода, что приводит к натяжению тяги 12, связанной с регулирующим клапаном 11. Перемещение плунжера этого клапа­на вниз увеличивает подачу волы в цилиндр 9, уменьшает время его заполнения и увеличивает частоту ходов толкателя. В результа­те скорость тележки возрастает и трубопровод машины выравни­вается. Аналогичным образом, но с уменьшением подачи воды, замедляется ход тележки, если трубопровод изогнулся в противо­положную сторону. Такой системой регулирования снабжены все тележки, кроме последней. Эта последняя имеет на трубопроводе и цилиндре кран-задатчик, с помощью которого задается скорость движения тележки, а остальные тележки по описанной схеме син­хронизируют с ней свое движение.

Равномерность увлажнения орошаемой площади обеспечивает­ся соответствующей регулировкой дождевальных аппаратов (чем дальше от неподвижной опоры, тем производительность выше) и составлением специальной программы полива, учитывающей ре­льеф, время суток и метеоусловия. Эту программу составляют на сутки, а выполняется она программным устройством.

Широкозахватные дождевальные машины «Волжанка» и «Днепр» — это машины позиционного действия. В машине «Днепр» обеспечивается автоматическое выравнивание трубопро­вода во время передвижения, причем в качестве датчиков изгиба трубопровода используются конечные выключатели в цепи управ­ления приводными двигателями.

Капельное орошение — самый экономичный способ увлажне­ния, при котором вода подается прямо в корнеобитаемый слой небольшими дозами через специальные водовыпускные отверстия (капельницы), устанавливаемые через каждые 50…100 см на ув­лажняющих трубопроводах. Управление системой капельного орошения должно обеспечивать нужную очередность увлажнения отдельных участков и корректировать норму полива каждого из них. Первая задача решается с помощью клапанов с электромаг­нитным приводом, управляемых программным устройством, вто­рая — изменением напора в распределительных трубопроводах, а также дозированием времени работы отдельных секций поливае­мого участка.

САУ капельным орошением представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 – Схема САУ капельным орошением:

1 — блок задания; 2 — блок элементов И; 3 — логический блок;

4 — исполнительные механизмы; 5 — объект орошения; 6 — влагомеры

Программа, определяющая очеред­ность и время орошения участков, вводится в блок задания и отра­ботки программы 1. Сигнал разрешения полива участка поступает на блок элементов И и логический блок 3 сравнения, где сравнива­ются заданное и действительное значения влажности, измеряемые влагомерами 6. При дефиците влажности логическим блоком И вырабатывается команда на управление соответствующим испол­нительным механизмом 4.

Осушение земель производится в зонах избыточного увлажне­ния, а также в районах орошения из-за заболачивания орошаемых участков. Различают неуправляемый и управляемый режимы осушения. При неуправляемом режиме с осушаемой площади отво­дится максимально возможное количество воды, определяемое параметрами осушительной сети или мощностью осушительных насосных станций. Управляемый режим применяют для регулиро­вания уровня грунтовых вод, обеспечивающего наиболее благо­приятный водно-воздушный режим почвы.

Автоматизация насосных станций для мелиорации

В мелиоративном хозяйстве насосные станции при орошении служат для запол-нения водохранилищ, подъема воды на команд­ные отметки орошаемых полей, отвода сбросных оросительных и перекачки грунтовых вод, а при осушении — для перекачки сточ­ных вод из каналов и коллекторов, а также для понижения уровня грунтовых вод.

Широкий опыт автоматизации насосных станций в мелиора­ции показал высокую ее эффективность. Она обеспечивает опти­мальный режим работы электронасосов, учет количества подавае­мой воды, сокращает число аварий и повышает надежность рабо­ты. Срок окупаемости средств на автоматизацию не превышает 1-3 лет.

Насосные станции в мелиорации характеризуются высокой по­дачей (до сотен тысяч кубометров в секунду) и большой мощнос­тью (до тысяч киловатт). Для них обычно используют асинхронные короткозамкнутые электродвигатели мощностью до 300 кВт, рассчитанные на напряжение 380 В и 6,3 кВ (при мощности свыше 100 кВт). Если потребная мощность превышает 300 кВт, то ре­комендуется применять синхронные двигатели напряжением 6,3 или 10 кВ.

Схемы автоматизации насосных станций обеспечивают пуск и остановку электродвигателей, заливку насосов, управление запор­ными задвижками, предохранение напорных трубопроводов от гидравлических ударов, защиту оборудования при авариях, сигна­лизацию о нормальных и ненормальных режимах работы оборудо­вания, контроль и измерение расхода, напора, горизонтов воды и т. п.

Насосные станции в мелиорации снабжают специальными ба­ками-аккумуляторами и вакуум-насосами для предварительной заливки основного насоса водой. При их отсутствии насосы ставят в заглубленных камерах ниже уровня водохранилища, а колено всасывающей трубы располагают выше уровня установки насоса.

Для облегчения пуска электродвигателя на напорных трубо­проводах ставят электрифицированные задвижки. Насос пускают при закрытой задвижке, тогда момент сопротивления воды мини­мальный. Задвижка открывается автоматически после разгона аг­регата и установления заданного давления и также автоматически закрывается при отключении электронасоса.

В качестве примера рассмотрим автоматизацию оросительной насосной станции с предварительной заливкой насоса водой и с управлением по уровню воды в водоприемном сооружении (рисунок 9, а, б), В режиме ручного управления переключатель SA ставят в положение Р и управляют работой оборудования при по­мощи кнопок SB1-SB6.

В автоматическом режиме переключатель SA ставят в положение А, тогда схема работает в соответствии с временной диаграммой (рисунок 9, в). При понижении уровня в водоприемном сооружении до минимально допустимого значения замыкаются контакты SL2 датчика уровня и срабатывает реле KV1, которое включает электро­магнитный клапан YА, установленный на заливной линии насоса. Насос через этот клапан заливается водой, а воздух в насосе выхо­дит через реле залива КЗ.

В конце заполнения насоса водой сраба­тывает реле залива КЗ и включает реле КV, которое, в свою очередь, вызывает включение магнитного пускателя КМ1 и реле времени КT. Магнитный пускатель запускает электродвигатель M1 привода на­соса. При разгоне двигателя в напорном патрубке создается давле­ние, от которого срабатывает реле давления KSP, включающее маг­нитный пускатель КМ2 и двигатель М2 на открытие задвижки на напорном трубопроводе. При полном открытии задвижки двига­тель М2 выключается конечным выключателем SQ1 и загорается сигнальная лампа HL1. Одновременно переключаются контакты конечного выключателя SQ2-гаснет лампа HL2.

Рисунок 9 – Технологическая (а) и принципиальная электрическая (б) СУ оросительной насосной станцией и временная диаграмма (в) ее работы

Струйное реле KSН, реагируя на движение воды в трубопроводе, размыкает свои контакты в цепи реле времени КТ и отключает его.

Отключение насоса происходит от датчика SL1 верхнего уров­ня воды в водонапорном сооружении. Его контакты размыкают цепи тока реле KV1, которое отключает электромагнит YA, реле KV2, а затем магнитный пускатель КМ1 и двигатель M1 насоса. Давление воды в напорном трубопроводе снижается до статичес­кого давления столба воды со стороны водохранилища. При этом давлении контакты реле давления KSP возвращаются в исходное положение и магнитный пускатель КМЗ включает двигатель М2, закрывающий задвижку. При полном закрытии задвижки контак­ты конечных выключателей SQ1 и SQ2 занимают исходное поло­жение, контакты SQ2 отключают двигатель М2 Повторный авто­матический пуск произойдет при снижении уровня воды до замы­кания контактов SL2.

Реле времени КТ предназначено для аварийного отключения насоса. Если, например при пуске, вода не поступает в водопри­емное сооружение, то контакты струйного реле KSH остаются зам­кнутыми, реле времени включает аварийную сигнализацию НА. От реле KV1 отключаются реле KV2 и магнитный пускатель KM1 в результате останавливается электронасос M1.

Аварийное реле включено до тех пор, пока обслуживающий персонал не нажмет кнопку деблокировки SB4. Одновременно отключится электромагнитный клапан YА. Такая же последователь­ность работы схемы на отключение насоса будет и при случайном перерыве подачи воды (пунктирные линии на рисунке 9, в).

Автоматизации перекачки сточных вод

Для откачки сточных, дренажных и хозяйственно-фекальных вод используют низконапорные (8-95 м) высокопроизводитель­ные (16-9000 м3) канализационные электронасосы. Канализаци­онным насосам свойствен ряд отличительных особенностей: незасоряющееся одно- трехлопастное уширенное рабочее колесо; са­моуплотняющееся соединение насоса с напорным трубопроводом; отсутствие направляющих аппаратов. Обычно эти насосы имеют простую конструкцию. Они оборудованы кнопочной станцией дистанционного управления электронасосным агрегатом при по­мощи магнитных пускателей.

В качестве примера рассмотрим САУ двухагрегатной водоотливной насосной станцией (рисунок 10). Вручную агрегаты включают и отключают с помощью кнопок SB1-SB4, в автоматическом режиме — с помощью элект­родных датчиков уровня SL1-SL4.

Задвижки 1 и 5 с ручным приводом закрывают при ремонте на­сосов. При работе насосов они открыты. Обратный поток жидко­сти через неработающий насос 4, нагнетающий 3 и всасывающий 7 трубопроводы предотвращает клапан 2. Сточные воды и навоз­ная жижа собираются в резервуар 6. По мере повышения их уров­ня замыкаются контакты датчиков SL1, SL2 и общий электрод 8 (заземлённая труба). Вначале от датчика SL2 включается один на­сос. Если приток сточных вод больше, чем производительность насоса, то уровень стоков повышается и датчиком SL3 включается второй электронасос.

Рисунок 10 – Технологическая (а) и принципиальные электрические (б, в, г) схемы управления двухагрегатной откачивающей насосной станцией:

1, 5 – задвижки; 2 — клапан; 3 — нагнетающие трубопроводы; 4 — насосы; 6 – резервуар;

7 – всасывающие трубопроводы; 8 – электрод

Очередность включения агрегатов определяется переключателем SA3. Например, в положении 1 переключателя SA3 вначале от датчика SL2 срабатывает реле KV1, которое включает электродви­гатель M1 первого насоса, а затем от датчика SL3 – реле KV2 и второй электронасос М2. В положении 2 переключателя очеред­ность включения насосов будет обратной. Вторыми парами кон­тактов реле KL1 и KL2 шунтируют через датчик SL1 цепи датчиков SL2 и SL3. Благодаря этому шунтированию отключение реле KV1 и KV2, а затем и насосов при снижении уровня сточной воды про­изойдет только тогда, когда разомкнётся цепь датчика SLI нижне­го уровня.

Если производительность и двух агрегатов меньше притока сточных вод, то от повышения уровня замыкается цепь датчика SL4 и срабатывает реле KV3, которое включает аварийно-предуп­редительную звуковую НА и световую HL2 сигнализации. Эти же сигнализации срабатывают от реле KV4 при исчезновении напря­жения питания. Цепи аварийной сигнализации получают питание от независимого источника.

Источник