Проектирование автоматизации и диспетчеризации систем водоснабжения

технический уровень, соответствие требованиям государственных общесоюзных стандартов и государственной системе приборов;

патентную чистоту;

стоимость.

При выборе телемеханического устройства, как правило, следует использовать малопроводные многоканальные системы.

Многопроводные телемеханические или дистанционные системы рекомендуется использовать в тех случаях, когда применение малопроводной многоканальной системы технически и экономически нецелесообразно из-за избыточности ее информационной и аппаратурной емкости.

Для телемеханизации площадок с сооружениями водоснабжения или отдельных сооружений в качестве одного из вариантов рекомендуется применять микропроцессорные контроллеры.

При выборе устройств телемеханизации учитывается также стоимость требуемых каналов (линий) связи.

В одной системе водоснабжения возможно применение разных телемеханических систем, при этом должны быть соблюдены идентичность операций, выполняемых диспетчером, и однотипность отображения информации.

Возможно объединение в один контролируемый пункт нескольких сооружений. При этом связь между сооружением, на котором устанавливается полукомплект КП устройства телемеханики, и остальными сооружениями данного КП может выполняться по дистанционным схемам или с помощью микропроцессорных контроллеров.

Для удобства обслуживания устройств телеизмерений разных технологических и электрических параметров целесообразно применять единую систему телеизмерений. Как исключение допускается применять различные системы.

Датчики и контрольно-измерительные приборы для местного контроля технологических параметров, одновременно используемых и в системах телеизмерений, следует принимать с электрическими выходами сигналов в соответствии с ГОСТ 9895-78 и согласовывать с входами телеизмерений устройств телемеханики.

Для воспроизведения одноименных технологических параметров с различными пределами измерений допускается использовать один общий приемный прибор, градуированный в процентах.

Выходные уровни напряжений и токов для нестандартных устройств ТУ, ТС, ТИ, использующих в качестве линии связи каналы телефонной связи, следует принимать в соответствии с нормами технологического проектирования Министерства связи СССР.

4.2 ПУНКТЫ УПРАВЛЕНИЯ

ПУ систем водоснабжения следует размещать в соответствии с требованиями СНиП 2.04.02-84.

ПУ должен быть расположен по возможности вблизи центра потоков информации, которыми он обменивается с подчиненными ему КП.

ПУ систем водоснабжения можно располагать в одном здании с ПУ других энергетических систем предприятия или города.

При этом допускается объединение аппаратных и вспомогательных помещений разных ПУ и использование общих телемеханических устройств.

Размещать ПУ в зонах агрессивных газов, значительной запыленности, значительных шумов, в помещениях с сильной вибрацией не допускается.

Состав помещений ПУ следует определять в соответствии с требованиями СНиП 2.04.02-84.

ПУ рекомендуется компоновать в одно- и двухэтажном исполнении. При одноэтажном исполнении аппаратная должна размещаться рядом с диспетчерской, аккумуляторная и другие помещения - рядом или вблизи с аппаратной.

При двухэтажном исполнении аппаратная, как правило, располагается под помещением диспетчерской, аккумуляторная - рядом с аппаратной.

Диспетчерскую не рекомендуется ориентировать окнами на юг из-за слепящего действия солнечных лучей, ухудшающего наблюдение за сигнальными приборами. При невозможности выполнения этого условия в оконных переплетах следует предусматривать матовые стекла.

В диспетчерской устанавливаются:

диспетчерский пульт;

диспетчерский щит;

видеотерминальные устройства для отображения информации;

печатающие устройства для регистрации параметров и событий управляемого процесса;

телефонный коммутатор прямой диспетчерской связи и аппараты других видов связи.

На диспетчерском пульте располагаются ключи и кнопки управления технологическими агрегатами, вызова телеизмерений, коммутации устройств телемеханики, а также приемные приборы телеизмерений и вспомогательные сигнальные приборы контроля технологического процесса и контроля работы устройств телемеханики и линий (каналов) связи.

На диспетчерском щите располагается мнемосхема с встроенной сигнализацией, отображающая технологическую схему системы водоснабжения.

Видеотерминальные устройства (дисплеи) устанавливаются на ПУ в тех случаях, когда они входят в состав полукомплекта ПУ устройства телемеханики или когда в составе ПУ имеется вычислительный центр с ЭВМ, комплектуемый видеотерминальными устройствами.

На дисплеи рекомендуется выносить алфавитно-цифровую информацию о значениях технологических параметров, их отклонениях, состоянии оборудования и графическую информацию в виде подробных фрагментов технологических схем с сигнализацией о состоянии элементов этих схем.

С клавиатуры дисплея на экран можно вызывать информацию, хранимую в памяти устройств телемеханики или ЭВМ.

Мнемонические схемы диспетчерского щита могут быть мимическими (по схеме „темного щита") и световыми.

Мимические схемы имеют индивидуальное квитирование сигналов о несоответствии. При квитировании сигнал гаснет, а положение сигнализирующего объекта определяется положением ручки ключа квитирования, который встраивается в мнемосхему.

Мимические схемы применяются для отображения на щите или пульте диспетчера несложных и ненасыщенных технологических схем с редкими оперативными переключениями.

Для отображения информации с помощью мимических схем в диспетчерской обычно достаточно установить щит или пульт.

Основным видом мнемосхемы является световая, которая обычно выносится на щит, с общим квитированием, выполняемым, как правило, с пульта.

Световая мнемосхема диспетчерского щита в состоянии покоя не должна светиться.

Символы световой мнемосхемы должны зажигаться при включении диспетчером освещения щита и автоматически при получении любого известительного сигнала.

Автоматическое освещение мнемосхемы щита допускается выполнять по технологическим узлам (сооружениям) или по щиту в целом.

Для обработки отображаемой на мнемосхеме сигнализации рекомендуется применять микропроцессорные контроллеры, если устройство телемеханики не имеет узлов генерации мигающего света и квитирования сигналов.

При небольшом количестве приемных аналоговых телеизмерительных приборов, а также при применении для измерений цифровых табло допускается их установка на диспетчерском щите.

Воспроизведение телеизмерений по вызову должно сопровождаться световыми сигналами, указывающими на мнемосхеме точку, в которой производится измерение.

При установке в диспетчерской дисплея с подробным отображением отдельных агрегатов, узлов и сооружений мнемосхема может выполняться укрупненной с минимальным количеством основных сигналов, что позволяет резко сократить размеры диспетчерского щита или отказаться от его установки, используя только пульт.

На диспетчерском пульте кроме телемеханической аппаратуры размещаются телефонный коммутатор диспетчерской связи, аппаратура радиосвязи и отдельные телефонные аппараты.

Расположение диспетчерского щита и пульта должно обеспечивать диспетчеру хорошее обозрение мнемонической схемы щита.

Расстояние между рабочим местом диспетчера за пультом и щитом из условий обозреваемости должно быть от 3 до 4,5 м, но не более 6 м.

Расстояние от щитов, шкафов и стоек до стены должно составлять 1 м. Допускаются местные сужения до 0,8 м.

Проходы между двумя рядами щитов, шкафов и стоек должны быть 1,2 м. Допускаются сокращения до 1 м.

Проходы между торцами щитов, шкафов, стоек и стенами должны быть не менее 0,6 м.

Шкафы одностороннего обслуживания допускается ставить вплотную к стене.

4.3 ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ ПУ И КП

ПУ по степени надежности электропитания следует относить к потребителям первой категории.

При наличии на контролируемых пунктах системы водоснабжения технологических агрегатов особой группы электроснабжения, телеуправляемых из ПУ, электроснабжение ПУ осуществляется по той же категории надежности.

Питании телемеханических устройств на ПУ и КН следует осуществлять от сети 380/220 В переменного тока или от выпрямительных агрегатов, если этого требуют устройства.

На ПУ должно быть предусмотрено резервирование электропитания от независимого источника переменного тока 380/220 В и резервирование выпрямительных агрегатов.

На КП резервирование питания телемеханических устройств, как правило, предусматривать не следует, так как оно предусмотрено на щите переменного тока, от которого эти устройства питаются.

Для ПУ и КП особой группы электроснабжения следует предусматривать третий источник электроснабжения (аккумуляторную батарею, дизель-генератор и др.).

Колебания напряжения в сети переменного тока не должны превосходить значений, допустимых для нормальной работы телемеханических устройств.

Пульсации напряжения после выпрямительных устройств не должны превышать 5 %.

На стороне выпрямленного тока на диспетчерском пункте необходимо предусматривать контроль изоляции.

Символы диспетчерского щита и цепи сигнализации на ПУ могут питаться как переменным, так и постоянным током напряжением до 60 В.

4.4 ЗАЗЕМЛЕНИЕ ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Заземление оборудования на ПУ и КП следует выполнять в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), утвержденными Минэнерго СССР.

Для заземления телемеханического оборудования на ПУ и КП необходимо использовать заземляющую сеть системы электроснабжения и электрооборудования тех сооружений, в которых располагаются ПУ и КП.

При размещении ПУ в административном или отдельном здании для заземления используются естественные заземлители (металлические конструкции зданий, арматура железобетонных фундаментов, трубопроводы и др.).

4.5 КАНАЛЫ СВЯЗИ

Для телемеханизации рекомендуется использовать неуплотненные и уплотненные частотными каналами проводные линии связи, линии электропередачи, радиоканалы, радиорелейные линии.

В качестве каналов телемеханизации для систем водоснабжения, как правило, применяются комплексные кабельные линии, используемые для телефонной связи, пожарной сигнализации и других слаботочных устройств. В этом случае для телемеханизации необходимо выделять требуемое количество пар жил.

Допускается применение кабельных линий только для целей телемеханизации, а в отдельных случаях также воздушных линий связи.

Для телемеханизации рекомендуется использовать односторонние (симплексные) и двусторонние (дуплексные) каналы связи.

По своей конфигурации, в соответствии с характером расположения объектов управления, линии связи могут выполняться радиальными, цепочечными или древовидными.

Для систем водоснабжения предпочтительнее применять выделенные каналы связи, постоянно включенные между ПУ и КП.

Линии и каналы связи, используемые для телемеханизации систем водоснабжения, должны удовлетворять требованиям государственных общесоюзных стандартов.

Исправность линий и каналов связи необходимо постоянно контролировать.

Каналы связи для телемеханизации, как правило, не требуют резервирования.

При проектировании комплексной кабельной сети кроме выделяемых для телемеханизации пар жил необходимо предусматривать резерв для возможного расширения системы телемеханизации.

На контролируемых пунктах следует предусматривать возможность включения соединительных линий телемеханизации в оконечные устройства кабельной сети, кабельные распределительные шкафы с боксами или телефонные распределительные коробки.

4.6 ТРЕБОВАНИЯ К СТРОИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ ПУ

Здания, в которых располагаются ПУ, должны иметь степень огнестойкости не ниже II.

Высота помещения диспетчерской определяется высотой диспетчерского щита, при этом расстояние от верха щита до потолка должно быть не менее 0,7 м (рекомендуется 1-1,5 м).

Высота помещения аппаратной должна быть не менее 3 м, остальных помещений в соответствии со строительными нормами и правилами.

Толщина стен ПУ должна позволять крепить на них электроконструкции.

Примечание. Внутри ПУ допускается устройство деревянных оштукатуренных перегородок.

Помещения ПУ должны быть защищены от проникания в них пыли и газа.

Уровень шума в диспетчерской в соответствии с требованиями СНиП II-12-77 допускается не более 50 дБ, для чего следует предусматривать звуковую изоляцию диспетчерской от внешних и внутренних шумов.

Прокладка трубопроводов канализации, газа и воды в помещениях ПУ не допускается.

Помещения ПУ должны быть защищены от возможного протекания воды с верхних этажей.

Полы и междуэтажные перекрытия ПУ следует рассчитывать на нагрузку не менее 4 кПа (400 кгс/м2) и проверять на фактическую нагрузку. К местам установки и транспортирования оборудования необходимо предъявлять аналогичные требования.

Двери, через которые предусмотрено транспортировать оборудование, должны иметь ширину 1,3 м, высоту - не менее 2,3 м.

Все двери должны открываться наружу в направлении эвакуации людей.

Вход в диспетчерскую по возможности должен быть расположен в поле зрения диспетчера, находящегося на своем рабочем месте за пультом.

Для раскладки кабелей в диспетчерской и аппаратной следует:

при расположении ПУ в нижнем этаже здания предусматривать кабельные каналы глубиной 400-600 мм;

при расположении диспетчерской и аппаратной на верхних этажах предусматривать двойной пол высотой 200-400 мм в чистоте над отметкой черного пола.

Съемные плиты двойного пола должны быть только в местах прокладки кабельных коммуникаций.

При размещении диспетчерской и аппаратной на верхних этажах допускается предусматривать конструкции для кабельных раскладок по потолку нижерасположенного этажа.

Внутреннюю отделку помещений ПУ следует принимать в соответствии с требованиям СНиП 2.04.02-84.

В диспетчерской желательно иметь подвесной потолок, скрывающий его выступающие части (балки, прогоны) и служащий для установки светильников и вентиляции.

4.7 ТРЕБОВАНИЯ К ОСВЕЩЕНИЮ ПУ

Помещение диспетчерской должно иметь естественное освещение. Устройство световых фонарей в диспетчерской не допускается. В помещениях без постоянного дежурного персонала естественное освещение не обязательно.

Помещения диспетчерской и аппаратной необходимо обеспечить рабочим, аварийным и ремонтным освещением, прочие помещения ПУ - только рабочим и ремонтным.

Искусственное освещение диспетчерской должно быть равномерным и отраженным. Поверхность диспетчерского щита должна освещаться без бликов, а сигналы на щите должны быть хорошо различимы. Освещенность (от общего освещения) поверхности диспетчерского щита должна быть равна 200 лк, за щитом и в проходах 100 лк в соответствии с требованиями СНиП II-4-79.

Искусственное освещение аппаратной должно обеспечивать освещенность в проходах между рядами аппаратуры 100 лк (от общего освещения).

Для искусственного освещения диспетчерской и аппаратной предпочтительнее светильники с люминесцентными лампами.

В диспетчерской светильники должны быть встроены в конструкцию подвесного потолка.

Освещение аккумуляторной следует выполнять в соответствии с требованиями ПУЭ.

В помещениях мастерской и лаборатории освещенность на рабочих местах (от комбинированного освещения) должна составлять 1000 лк при люминесцентном освещении и 500 лк при освещении лампами накаливания в соответствии с требованиями СНиП 1М-79.

Для ремонтного освещения рекомендуется использовать переносные электролампы на напряжение 12-42 В.

4.8 ТРЕБОВАНИЯ К ВЕНТИЛЯЦИИ ПУ

В диспетчерских помещениях при объеме на одного человека свыше 40 м3 и при наличии окоп используется естественная вентиляция в соответствии с требованиями СП 245-71.

При необходимости и для условий тропического климата применяется кондиционирование воздуха.

Вентиляция помещений аппаратной рассчитывается с учетом тепловых потерь от установленного оборудования.

ПУ должны быть оборудованы пожарной сигнализацией.

5. АСУ ТП ВОДОСНАБЖЕНИЯ

5.1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

АСУ ТП представляют собой высший этап автоматизации водопроводных сооружений и призваны обеспечивать оптимальное ведение технологических процессов водоснабжения.

В технологическом процессе водоснабжения можно выделить два подпроцесса - подъем и обработку воды, подачу и распределение воды. В соответствии с этим под АСУ ТП водоснабжения следует понимать комплекс систем, состоящий из:

АСУ ТП подъема и обработки воды (АСУ ТП ПОВ), осуществляющей управление насосными станциями I подъема и водоочистными сооружениями (фильтровальными станциями, отстойниками, дозированием химических реагентов и др.);

АСУ ТП подачи и распределения воды (АСУ ТП ПРВ), охватывающей резервуары чистой воды, насосные станции II и последующих подъемов, водопроводные сети.

АСУ ТП ПРВ создаются на водопроводах с поверхностными и подземными водоисточниками, АСУ ТП ПОВ на крупных водоочистных станциях с поверхностными водоисточниками.

Целью управления при функционировании АСУ ТП водоснабжения является обеспечение надежного водоснабжения населения и промышленности города с минимальными эксплуатационными затратами.

Переменная часть эксплуатационных затрат, зависящая от режима работы сооружений, включает расход электроэнергии на насосных станциях, утечки и нерациональные расходы воды, расход химических реагентов.

Известно, что в городских водопроводах имеется значительный перерасход электроэнергии (до 10-15 %), обусловленный избыточными напорами воды, нерациональным распределением нагрузки между насосными станциями, а также работой насосных агрегатов при пониженных значениях КПД.

Водопотребление в жилых зданиях существенно зависит от напоров воды. Поскольку в централизованных системах подачи и распределения воды напор водоисточника (насосной станции или резервуара) выбирается из условия обеспечения требуемых давлений в конечной или наиболее высоко расположенной точке сети (диктующей точке), в большинстве районов сети имеются избыточные напоры. Часть избыточных напоров является неизбежной, так как зависит от конструкции сети, и необходима для подачи воды в более удаленные точки сети, другая часть зависит от режима работы системы. Избыточные напоры в сети вызывают повышенный расход воды.

При оптимизации режимов работы водопроводов необходимо минимизировать не только потребление электроэнергии и потери воды, по также и недоотпуск воды вследствие недостаточных напоров в диктующих точках сети.

Поэтому в качестве критерия оптимальности I следует рассматривать составную функцию

I = I1 +I2 +I3,

где I1 потери воды и перерасход электроэнергии, вызванные избыточными напорами в сети;

I2 - штраф за недоотпуск воды потребителям при недостаточных напорах в ряде точек сети;

I3 затраты на управление (повышенный расход электроэнергии при переключениях насосов, потери энергии при дросселировании напора задвижками и др.).

На водоочистных станциях отмечается перерасход химических реагентов (на 20-30 %).

При внедрении АСУ ТП с помощью ЭВМ, телемеханической и другой аппаратуры осуществляются сбор информации о напорах в диктующих точках водопроводной сети и параметрах работы насосных станций (подаче, напоре, расходе электроэнергии, значениях уровня воды в резервуарах) и контроль за расходованием реагентов и работой фильтров, производится анализ этой информации и выполняются расчеты по определению оптимальных условий эксплуатации.

АСУ ТП водоснабжения представляет собой систему, в которой человек (диспетчер) с помощью различных технических средств осуществляет управление, используя рекомендации по оптимальному ведению технологического процесса водоснабжения, а ЭВМ производит первичную обработку информации, необходимые расчеты и выполняет функции „советчика" диспетчера.

Участие человека в управлении необходимо из-за сложности систем водоснабжения, наличия ряда неформализованных факторов, влияющих на принятие решений, а также из-за отсутствия ряда автоматических регуляторов и других устройств, необходимых для комплексной автоматизации сооружений. Включение человека в контур управления требует использования специальных технических средств отображения информации и ввода команд управления (мнемощитов, дисплеев, диспетчерских пультов и др.).

Таким образом, АСУ ТП водоснабжения является системой информационно-советующего типа. Для отдельных локальных технологических процессов рекомендуется осуществлять автоматическое управление без участия человека (управление группой насосов, работающих на резервуар, управление артезианскими скважинами, дозирование химических реагентов, управление (фильтрами и др.). В таких случаях автоматическое управление осуществляется по определенной, заранее разработанной программе.

Управление процессами подъема, очистки, подачи и распределения воды производится в условиях функционирования АСУ ТП по принципу “оптимизации прогноза”. Это означает, что ЭВМ производит расчет прогнозируемого оптимального режима работы сооружений на предстоящий период (обычно на 24 ч), а затем операционно контролирует напоры в сети, корректируя при необходимости расчетный режим. Таким образом может осуществляться управление в нормальных условиях эксплуатации.

Однако на водопроводах нередки аварийные ситуации, связанные с разрывом труб или выходом из строя насосных агрегатов, необходимостью подачи больших количеств воды при тушении пожаров и т.п. В таких случаях диспетчер должен с помощью ЭВМ выбрать наиболее эффективный вариант действия по локализации аварий, т.е. определить, какие задвижки должны быть переключены и какие напоры должны развивать насосные станции для обеспечения водой в создавшихся условиях наибольшего числа потребителей.

АСУ ТП водоснабжения включает в свой состав устройства локальной автоматики, системы централизованного сбора информации о технологических параметрах и состоянии оборудования, средства вычислительной техники и аппаратуру диспетчеризации. Поэтому АСУ ТП можно рассматривать как дальнейший этап развития автоматизации водоснабжения.

Основной характерной чертой АСУ ТП водоснабжения, отличающей ее от системы диспетчерского управления, является использование вычислительной техники для расчетов оптимальных режимов работы водопроводных сооружений.

При проектировании АСУ ТП водоснабжения необходимо разработать:

- организационную структуру диспетчерского управления;

- функциональную структуру, т.е. состав автоматизируемых функций управления и алгоритмы решения задач;

- программное обеспечение, т.е. программы выполнения на ЭВМ расчетов по задачам АСУ ТП;

- техническое обеспечение, т.е. комплекс технических средств, необходимых для реализации функций АСУ ТП. Проект должен включать также расчет экономической эффективности создаваемой АСУ ТП.

5.2 ОРГАНИЗАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

В условиях АСУ ТП требуется перестройка организационной структуры диспетчерского управления, которая учитывала бы технологическую взаимосвязь объектов водоснабжения, их территориальное расположение, технические возможности современных систем сбора и передачи информации.

В условиях функционирования АСУ ТП водоснабжения, как правило, должна создаваться одноступенчатая диспетчерская служба, но допускается двух- и трехступенчатая организационная структура оперативного управления.

Верхней иерархической ступенью оперативного управления является центральный пункт управления (ЦПУ) или центральный диспетчерский пункт (ЦДП). Следующие ступени управления пункт управления (ПУ) или местный диспетчерский пункт (МДП) и операторский пункт (ОП).

В условиях АСУ ТП в составе диспетчерской службы необходимо создавать специализированное подразделение отдел АСУ. Помимо решения задач оперативного управления режимом работы сооружений диспетчерская служба должна также руководить работами по текущей эксплуатации водопроводных сетей, насосных станций подкачки, водоводов. Эти функции выполняет диспетчерский пункт распределительных сетей, который функционально подчинен диспетчеру ЦДП.

ЦДП предназначается для контроля и оперативного управления ходом выполнения плановых заданий всей системы водоснабжения (включая станции и распределительные сети), сбора и предварительной обработки информации о ходе технологических процессов с фиксацией отклонений фактического выполнения заданий от плановых показателей. При этом обеспечивается координация работы всех сооружений водопровода, участвующих в технологическом процессе.

Главному диспетчеру ЦДП функционально подчинены диспетчеры местных диспетчерских, операторы ОП и начальник отдела АСУ.

МДП предназначается для осуществления непрерывного контроля работы и управления технологическим процессом на группе водопроводных сооружений (водопроводной станции, кусте артезианских скважин и др.), сбора и предварительной обработки информации о состоянии технологического процесса с фиксацией отклонений выполнения заданий от плановых показателей. Решение указанных задач возложено на диспетчера МДП.

Непосредственным административным руководителем диспетчера МДП является начальник указанной группы сооружений.

Функционально диспетчер МДП подчиняется главному диспетчеру водопровода.

Диспетчеру МДП водопроводной станции функционально подчинены оператор ОП станции I подъема, оператор очистных сооружений, оператор насосной станции II подъема, эксплуатационный персонал реагентного хозяйства, оператор котельных установок, дежурный электрик, дежурные лаборанты цеховой химической лаборатории.

Диспетчер МДП следит за ходом технологического процесса обработки воды, осуществляет связь с ЦДП и управляющим вычислительным комплексом для решения задач оптимального управления технологическим процессом и руководит работой ОП.

ОП предназначены для управления отдельными сооружениями и оборудованием, участвующими в технологическом процессе. ОП нижняя ступень системы сбора и передачи производственно-технологической информации и управления объектом. На ОП решаются задачи поддержания заданного технологического режима, устранения отклонений и нарушений производственного процесса и ликвидации аварийных ситуаций.

ОП оснащается приборами контроля, аппаратурой дистанционного управления и сигнализации, средствами связи. Информация на ОП поступает от датчиков, установленных на водопроводных сооружениях, от блок-контактов пусковой электроаппаратуры насосов, задвижек и др. и воспроизводится на мнемосхеме и щитах контроля. Непосредственным административным руководителем оператора ОП является начальник указанного объекта. Функционально оператор подчинен диспетчеру МДП.

Отдел АСУ включает информационно-вычислительный центр (ИВЦ) и службы технической эксплуатации телемеханики и средств связи.

ИВЦ состоит из группы обслуживания ЭВМ и группы сопровождения задач, решаемых на ЭВМ.

В зависимости от состава комплекса технических средств АСУ ТП и количества решаемых задач численность подразделений отдела АСУ может быть различной.

Диспетчерский пункт распределительных сетей (ДПРС) предназначен для оперативного управления технической эксплуатацией водопроводных сетей, насосных станций подкачки, работами по ремонту, включению и отключению трубопроводов, ликвидации аварий.

Диспетчеру функционально подчинены дежурная бригада по ремонту и эксплуатации станций подкачки, дежурные бригады по эксплуатации и ремонту водопроводов и водопроводных сетей.

В крупных городах создается двухуровневый ДПРС, в состав которого могут быть включены подчиненные диспетчерские пункты отдельных участков водопроводной сети (ДПУВС).

5.3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА

5.3.1 ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ (ТОУ)

В подсистеме ПОВ эта функция реализуется 3-4 раза в 1 ч следующим комплексом задач:

а) периодический контроль значений технологических параметров:

качества исходной воды;

качества воды на очистных сооружениях;

расхода воды через очистные сооружения;

расхода воды на собственные нужды;

расхода электроэнергии станций I подъема;

состояния насосных агрегатов станции I подъема

работы фильтров;

б) периодическое измерение технических параметров и показателей состояния оборудования;

в) оперативное отображение значений технологических параметров (по вызову);

г) обнаружение, оперативное отображение и сигнализация отклонений значений технологических параметров от установленных пределов;

д) обнаружение, оперативное отображение и сигнализация изменения показателей состояния оборудования;

е) обнаружение, оперативное отображение и сигнализация об аварийных состояниях (при возникновении аварии);

ж) периодическая регистрация значения технологических параметров и состояния оборудования;

з) периодическая регистрация (отклонений значений технологических параметров;

и) оперативное отображение и регистрация результатов математических и логических операций;

к) ручной ввод информации.

В подсистеме ПРВ эта функция реализуется тем же комплексом задач, но для других значений технологических параметров:

подачи воды по водоводам;

подачи воды по станциям;

напора на выходе станции;

уровня воды в резервуарах;

расхода электроэнергии станции;

состояния насосных агрегатов станции;.

давления в контрольных точках сети.

5.3.2 ОПЕРАТИВНЫЙ УЧЕТ

В подсистеме ПОВ эта функция реализуется один раз в смену решением задач учета следующих параметров:

расхода pеагентов;

подачи воды очистными сооружениями;

расхода воды на собственные нужды;

расхода электроэнергии станций I подъема;

времени работы оборудования.

Эти задачи решаются для каждой технологической линии обработки воды и для станции в целом.

В подсистеме ПРВ эта функция реализуется один раз в смену решением задач учета следующих параметров:

подачи воды по водоводам, станциям и по сети в целом;

запаса воды в резервуарах;

расхода электроэнергии по водопроводным сооружениям;

времени работы оборудования.

5.3.3 РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

В подсистеме ПОВ эта функция реализуется один раз в сутки решением задач расчета следующих показателей:

технологической себестоимости по каждой технологической линии и по станции в целом;

фактическою расхода электроэнергии на станции I подъема;

фактического расхода реагентов;

удельного расхода реагентов;

фактической подачи воды;

удельного расхода электроэнергии на собственные нужды;

удельного расхода воды на собственные нужды.

В подсистеме ПРВ эта функция реализуется решением задачи “Расчет фактического удельного расхода электроэнергии по станциям” (один раз в сутки).

5.3.4 ДИАГНОСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

В подсистеме ПРВ эта функция реализуется решением задач анализа следующих отклонений от заданных условий:

фактических напоров в диктующих точках (задача решается при возникновении отклонений);

фактических расходов электроэнергии (задача решается один раз в сутки).

5.3.5 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ХОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

В подсистеме ПОВ эта функция реализуется один раз в сутки решением задач расчета:

графика работы насосной станции I подъема;

распределения воды по технологическим линиям;

оптимальных доз реагентов;

графика вывода фильтров на промывку.

В подсистеме ПРВ эта функция реализуется один раз в сутки решением задач расчета:

прогнозированного графика подачи воды станциями II подъема;

требуемых напоров станций II подъема;

оптимального графика работы насосных агрегатов статей II подъема;

графика заполнения и срабатывания резервуаров;

оптимальных графиков работы групп артезианских скважин;

оптимальных режимов работы систем дальнего транспортирования воды;

распределения воды между основными пользователями общего водоисточника группового водопровода.

5.3.6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

В подсистеме ПОВ эта функция реализуется один раз в 1 ч решением задач коррекции:

режима работы станции I подъема;

распределения воды по технологическим линиям.

В подсистеме ПРВ эта функция реализуется решением задач расчета коррекции:

режима работы станции II подъема (задача решается по инициативному сигналу);

режима заполнения и срабатывания резервуаров (задача решается один раз в 1 ч).

На первых этапах создания АСУ ТП расчет оптимальных режимов работы насосных станций предусматривается производить для нормальных условий эксплуатации. В дальнейшем состав задач АСУ ТП водоснабжения должен также включать расчет режимов работы насосных станций и водопроводных сетей в аварийных ситуациях (при отключении отдельных участков водоводов или сети, отключении некоторых насосов и т.д.).

5.4 МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Для АСУ ТП ПОВ и АСУ ТП ПРВ сбор и обработка информации предусматриваются следующим образом:

измерение, контроль и учет текущих значений параметров путем циклического опроса датчиков с последующей фильтрацией полученных показаний (для устранения резких случайных выбросов), сравнением сигнала, полученного после фильтрации, с границами допуска и выдачей сигнала диспетчеру в случае выхода показаний за допустимые пределы;

измерение, контроль и учет интегральных значений параметров путем запоминания количества импульсов с выходов счетчиков и накопления их в интегрирующих устройствах телемеханики;

решение задач контроля и учета параметров, полученных с помощью телесигнализации, методом логического анализа.

В задачах оперативного учета и расчета технико-экономических показателей используется метод прямого счета.

Критерием при решении задач оптимизации работы станций I подъема и очистных сооружений является технологическая себестоимость воды, поданной потребителям.

Задача расчета графика работы насосной станции I подъема, работающей на резервуар, решается методами нелинейного программирования. Для упрощения решения ее можно свести к задаче, решаемой методом прямого счета при выполнении следующих условий: на участке нарастания водопотребления в момент равенства подачи и потребления воды объем ее в резервуаре должен быть максимальным; на участке спада водопотребления в момент равенства подачи и потребления воды объем воды в резервуаре должен быть минимальным. Исходя из этих условий определяются моменты включения дополнительных насосных агрегатов.

Задача распределения воды по технологическим линиям заключается в определении подачи воды каждой линией так, чтобы минимизировать общую технологическую себестоимость обработки воды на станции при заданной общей подаче воды станцией и заданных технологических ограничениях на пропускную способность линии. Эта задача решается методом проекции градиента. Исходные данные получаются из решений задачи расчета оптимальных доз реагентов при различных величинах подачи воды.

Расчет оптимальных доз реагентов заключается в нахождении доз реагентов, обеспечивающих минимальное значение технологической себестоимости обработки воды при условиях, которые определяют связь между входами технологических звеньев, и учете технологических ограничений на производительность сооружений и качество обработанной воды. Задача решается методом линейного программирования. Для корректировки модели применен релаксационный алгоритм идентификации (алгоритм Качмажа).

Расчет оптимального режима работы фильтров заключается в определении подачи воды каждым фильтром так, чтобы суммарный расход воды на нужды станции за заданное время был минимальным при заданных технологических ограничениях и общей подаче воды станцией. Задача решается методом проекции градиента. Расчет производится по математическим моделям фильтров. Коэффициенты моделей корректируются с помощью алгоритма Качмажа.

Решение задачи прогнозирования суточного графика вoдoпoтpeблeний в различных проектах ЛСУ ТП может осуществляться несколькими методами: построением моделей авторегрессии или проинтегрированного скользящего среднего, методом „предельных циклов" и др.

Для расчета оптимальных режимов работы насосных станций используются математические модели, связывающие напор и подачу насосных станций и давления в диктующих точках сети. Такие модули имеют вид полиномов, коэффициенты которых определяют на основе статистической обработки данных о параметрах работы системы за прошедшие две-три педели.

Для расчета оптимальных режимов работы систем с несколькими насосными станциями могут быть использованы методы линейного программирования.

Задача оптимального управления группами артезианских скважин (колодцев) предусматривает расчет для каждого часа суток необходимого числа работающих артезианских скважин с учетом их экономичности, длительности работы и уровня воды в скважинах. При увеличении водопотребления предусматривается включение наиболее экономичных скважин, а при уменьшении - отключение наименее экономичных. Задача решается методом логического анализа.

Взаимосвязь задач АСУ ТП, последовательность, периодичность и обусловленность их решения определяются общим алгоритмом функционирования, который отражает принятую стратегию оперативного управления.

Задачи централизованного контроля должны решаться круглосуточно-непрерывно. Учетные задачи, как правило, решаются ежечасно, тогда как расчет технико-экономических показателей должен проводиться один раз в смену или один раз в сутки.

Оперативное планирование режимов производится один раз в сутки, а также при резком изменении водопотребления или условий работы водопровода. Задачи коррекции режимов решаются по мере возникновения необходимости изменения расчетного плана работы сооружений.

Управление сооружениями производится в соответствии с расчетным оперативным планом-графиком оптимального режима или в результате решения задач коррекции режима.

На блок-схеме общего алгоритма функционирования АСУ ТП водоснабжения показана взаимосвязь задач.

5.4.1. ЗАДАЧИ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ

Комплекс этих задач предусматривает непрерывный контроль технологических параметров и состояния оборудования на насосных станциях, водоочистных сооружениях и на водопроводной сети с помощью датчиков и телемеханической аппаратуры или других средств сбора и передачи информации.

Алгоритмы решения задач достаточно просты и во многом зависят от характеристик используемых технических средств передачи данных. Общей чертой этих алгоритмов являются использование операций усреднения, линеаризации или интегрирования измеряемых величин, сравнение контролируемых параметров с предельно допустимыми значениями и т.д.

5.4.2 ЗАДАЧИ ОПЕРАТИВНОГО УЧЕТА

Оперативный учет контролируемых параметров осуществляется путем их регистрации с заданной периодичностью, формирования в виде массивов данных, хранимых в памяти ЭВМ, и выдачи диспетчеру выходных документов, содержащих учитываемые данные в часовом, сменном и суточном разрезах.

5.4.3 ЗАДАЧИ РАСЧЕТА И АНАЛИЗА ОСНОВНЫХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

В объеме этих задач предусматриваются ежесменный и ежесуточный расчеты следующих технико-экономических показателей эксплуатации по насосным станциям:

фактических значений удельных расходов электроэнергии;

фактических значений удельных расходов химических реагентов;

водоподачи отдельными насосными станциями;

процента расхода воды на собственные нужды;

фактических значений технологической себестоимости воды по насосным станциям и водопроводу в целом

Анализ технико-экономических показателей производится сравнением фактических значений с планируемыми. Результаты расчетов регистрируются, индицируются и представляются в виде сменных и суточных рапортов дежурному диспетчеру.

5.4.4 АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫМИ ВОДОИСТОЧНИКАМИ

Управление подземными водоисточниками (артезианскими скважинами, шахтными колодцами, лучевыми водозаборами и др.) имеет ряд особенностей и должно учитывать следующие факторы:

эксплуатационные особенности скважин (колодцев);

гидравлические условия скважин (колодцев) и аспекты совместной работы группы скважин (колодцев);

экономические показатели скважин (колодцев).

Эксплуатационные особенности накладывают ряд ограничений на работу скважин (колодцев). Необходимо избегать частых „рывков", т.е. включений и выключений скважин, так как это может привести к ссыпке песка (пескованию скважин). Во многих случаях пуск скважин связан с необходимостью кратковременного выпуска воды с примесью песка. Скважины необходимо периодически останавливать для профилактического осмотра или ремонта насоса.

Во избежание перегрузок сборного водовода и энергетических линий необходимо осуществлять пуск нескольких скважин постепенно через определенные временные интервалы (например, через 10 мин). Скважины, работающие на специальных потребителей, отключать нельзя. В шахтных колодцах, имеющих два насоса, целесообразно, чтобы один насос постоянно находился в работе, а второй включался и отключался по мере необходимости.

Необходимо обеспечить контроль уровня воды в скважинах и не допускать его снижения ниже предельно допустимого значения.

Алгоритмы управления артезианскими скважинами предусматривают разделение их на три группы:

первая (группа А) - скважины, работающие в настоящий момент;

вторая (группа В) скважины, находящиеся в резерве;

третья (группа С) скважины, находящиеся в простое (готовые к работе).

Массивы номеров скважин упорядочиваются в памяти ЭВМ по величине удельного расхода электроэнергии. При необходимости уменьшения подачи воды от водозабора необходимо исключить из массива А скважину, имеющую наибольший удельный расход электроэнергии. Номер этой скважины следует перенести из массива А в массив С. Обратные действия следует производить при необходимости увеличения подачи воды. Одновременно необходимо контролировать продолжительность работы каждой скважины с целью своевременного проведения профилактического осмотра или ремонта. При этом номер выведенной из работы скважины следует перевести из массива А в массив В.

5.4.5 КООРДИНИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ НЕСКОЛЬКИМИ ВОДОИСТОЧНИКАМИ ГРУППОВОЙ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

В последние годы все большее распространение получают групповые системы водоснабжения, обеспечивающие водой несколько городов, поселков, предприятий, рассредоточенных на значительной территории. Обычно в таких системах водоснабжения используются один общий источник (водозабор) и несколько местных источников. Управление такими водоисточниками представляет сложную проблему.

В задачи оперативного управления здесь входят помимо стабилизации давлений в диктующих точках каждой водопроводной сети также координация работы водоисточников, распределение воды общего водоисточника между населенными пунктами, оптимизация режимов работы сооружений центрального и локальных водоисточников и др. Общий алгоритм функционирования системы оперативного оптимального управления включает следующие расчеты:

прогнозирование почасовой и суточной потребностей в воде населенных пунктов, питаемых групповой системой водоснабжения;

определение максимально возможной суточной подачи воды общего и локальных водоисточников;

определение потребностей в воде от общего водоисточника каждого населенного пункта;

распределение подачи воды от общего водоисточника к каждому населенному пункту;

определение оптимальных условий работы сооружений общего водоисточника;

определение оптимальных режимов сооружений локальных водоисточников;

контроль и регистрацию параметров работы сооружений водоисточников и водопроводных сетей населенных пунктов;

расчет и анализ технико-экономических показателей работы групповой системы водоснабжения в целом и сооружений общего и локальных водоисточников.

Наиболее сложным является координированное управление общим и местными водоисточниками. При этом целесообразно в общем случае принять общий водоисточник в качестве базового и покрывать пики водопотребления за счет местных источников. Однако в ряде конкретных случаев может оказаться необходимым принять в качестве базовых некоторые местные водоисточники.

В отдельных случаях (например, в периоды летнего водопотребления) производительность водоисточников может оказаться недостаточной для удовлетворения потребности в воде всех потребителей групповой системы водоснабжения. Для этого используется алгоритм распределения воды общего водоисточника между всеми потребителями (городами, населенными пунктами, предприятиями и др.) пропорционально их потребности и с учетом приоритетов.

5.4.6 ОПЕРАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМАМИ ПОДАЧИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ

Структура системы подачи и распределения воды зависит от планировки города, месторасположения водоисточников, рельефа местности и других факторов. Несмотря на разнообразие схем водопроводных сетей городов, можно выделить ряд типовых элементов, из которых складывается структура большинства систем подачи и распределения воды:

а) насосная станция питает изолированную зону;

б) несколько насосных станций питают общую зону;

в) насосная станция подает воду в сеть и резервуар;

г) насосная станция питает сеть и несколько резервуаров;

д) насосная станция питает сеть, резервуар и насосную станцию следующей зоны.

Алгоритм расчета оптимального режима работы каждой конкретной системы подачи и распределения воды имеет индивидуальный характер и строится на сочетании алгоритмов управления типовыми элементами, входящими в состав данного водопровода.

Наиболее сложными и важными являются задачи оперативного планирования оптимальных режимов. Трудность таких расчетов связана с необходимостью построения математических моделей системы подачи и распределения воды и прогнозирования колебаний водопотребления на предстоящий период.

Анализ задач оперативного управления показал, что для расчета оптимальных режимов работы насосных станций в большинстве случаев нецелесообразно производить гидравлический расчет водопроводных сетей и использовать принятые при проектировании традиционные модели потокораспределения - расчетные схемы сетей. Это объясняется трудностью получения данных о фактических и требуемых значениях узловых расходов для каждого часа предстоящих суток, а также чрезмерно большими для оперативного управления затратами машинного времени на проведение расчетов даже при использовании мощных современных ЭВМ.

Гидравлический расчет следует производить при анализе нагруженности различных магистралей водопроводной сети, при поиске наивыгоднейших вариантов развития сетей, перераспределения водопотоков при использовании управляемых задвижек или поворотных затворов на магистралях, а также при анализе аварийных ситуаций на сети и поиске вариантов локализации аварий или минимизации недоотпуска воды при отключении аварийных участков и др.

Для выбора оптимальных режимов работы насосных станций требуются только данные о напорах на насосных станциях и в диктующих точках сети. В то же время основная часть информации, получаемой при гидравлическом расчете (о потерях напора и расходах по участкам), при этом не используется и является избыточной.

В связи с этим для расчета оптимальных режимов работы насосных станций рекомендуется использовать обобщенные математические модели, выражающие взаимосвязь напора Нн.ст и подачи Qн.ст воды насосной станции с давлением в диктующей точке сети Ндт:

Нн.ст = Нд.т + а + b Qн.ст + с Q2н.ст,

где а, b, с коэффициенты, полученные в результате статистической обработки данных о параметрах работы насосных станций и водопроводной сети.

В ряде случаев характеристика сети достаточно хорошо описывается простой линейной моделью:

Нн.ст = Нд.т + а + b Qн.ст.

Использование математических моделей указанного вида существенно облегчает расчет оптимальных режимов насосных станций при достаточной для практических целей точности решения. В целях повышения точности целесообразно производить периодическое уточнение моделей, т.е. программа расчета должна включать блок идентификации параметров модели.

Важной особенностью оперативного планирования является необходимость учета колебаний водопотребления в течение предстоящих суток. Водопотребление носит случайный характер, поэтому при планировании режимов необходимо осуществлять расчет по прогнозированию этого процесса на основе данных о подаче воды насосными станциями за прошедший период.

Оперативное планирование режимов работы насосной станции рекомендуются осуществлять путем декомпозиции этой задачи на ряд последовательно решаемых подзадач. При этом планируемый период разделяется на отрезки времени, в течение которых водопотребление принимается неизвестным и непрерывный график водопотребления заменяется дискретным (например, почасовым).

Оперативное планирование производится в такой последовательности:

расчет прогнозированного почасового графика водопотребления на предстоящие сутки;

расчет оптимальных параметров работы насосных станций (подачи, напора) для каждого часа предстоящих суток;

выбор оптимального состава работающих насосов для каждого часа суток.

В настоящее время разработаны алгоритмы и программы решения задач прогнозирования, выбора оптимального состава насосов, а также расчета оптимальных параметров работы насосных станций для ряда характерных структур систем подачи и распределения воды, сетей с одной или несколькими насосными станциями, сетей с насосными станциями и резервуарами, сетей с резервуарами и др.

В некоторых алгоритмах предусматривается одновременное решение задач расчета оптимальных параметров работы насосных станций и выбора оптимального состава работающих насосов.

5.5. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АСУ ТП

Эффективность системы управления во многом зависит от рационального выбора комплекса технических средств (КТС), позволяющего своевременно получать и обрабатывать информацию в АСУ ТП и обеспечивать выполнение задач технологического управления.

Выбор технических средств должен производиться с учетом совместимости технических средств, модульности, надежности, максимальной эффективности и системного подхода.

Решение задач управления в АСУ ТП характеризуется интеграцией управления технологическим оборудованием и оперативно-производственного управления в единую систему при наличии тесного логического и информационного взаимодействия между ними. В соответствии с этим выбор КТС определяется функциональной структурой АСУ ТП, организационной структурой управления и информационной структурой, устанавливающей содержание и последовательность этапов обработки информации в системе.

КТС АСУ ТП должен выполнять следующие функции: связь с объектом и сбор информации, передачу информации, связь с оператором и отображение информации, обработку информации в соответствии с принятыми алгоритмами, накопление и хранение информации.

В соответствии с изложенным КТС АСУ ТП водоснабжения должен включать следующие основные виды аппаратуры: датчики, исполнительные механизмы, аппаратуру регулирования, средства связи и аппаратуру телемеханики, ЭВМ, диспетчерское оборудование.

Основой для получения первичной информации и технологических параметров процесса подачи, обработки и распределения воды являются датчики: расходомеры, манометры, уровнемеры, измерители и сигнализаторы динамического уровня воды в скважинах, измерители тока или потребляемой электроэнергии, качественных параметров воды и др.