Разработка проекта автоматизации системы водоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Ускорение научно-технического прогресса и интенсификация производства невозможны без применения средств автоматизации. Характерной особенностью современного этапа автоматизации состоит в том, что она опирается на революцию в вычислительной технике, на самое широкое использование микропроцессорных контроллеров, а также на быстрое развитие робототехники, гибких производственных систем, интегрированных систем проектирования и управления, SCADA-систем.

Применение современных средств и систем автоматизации позволяет решать следующие задачи:

* вести процесс с производительностью, максимально достижимой для данных производительных сил, автоматически учитывая непрерывные изменения технологических параметров, свойств исходных материалов, изменений в окружающей среде, ошибки операторов;

* управлять процессом, постоянно учитывая динамику производственного плана для номенклатуры выпускаемой продукции путем оперативной перестройки режимов технологического оборудования, перераспределения работ на однотипном оборудовании и т. п.;

* автоматически управлять процессами в условиях вредных или опасных для человека.

Решение поставленных задач предусматривает целый комплекс вопросов по проектированию и модернизации существующих и вновь разрабатываемых систем автоматизации технологических процессов и производств.

В данном курсовом проекте рассматривается автоматизация системы водоснабжения.

1. Обзор технической литературы

1.1 Система водоснабжения как объект автоматизации

Многочисленные потребители требуют воду: как различного качества, так и разное его количество. Количество и качество воды, необходимое каждому предприятию, определяется характером и масштабом его основного производства. В свою очередь, эффективность работы предприятия часто сильно зависит от организации снабжения его водой требуемых параметров.

Прекращение подачи воды даже на несколько минут для многих предприятий означает массовый брак продукции, а часто и аварийный выход из строя отдельных технологических аппаратов и установок.

Подача некачественной воды (грязной, жесткой и т.п.) так же приводит к появлению брака, снижению производительности и экономичности технологических аппаратов, а часто и к аварийному выходу из строя отдельных их элементов.

С внедрением в производство автоматической системы управления технологическими процессами значительно повышается надежность системы водоснабжения и обеспечивается высокая производительность предприятия.

1.2 Основные элементы системы водоснабжения

Система водоснабжения - это комплекс сооружений для обеспечения потребителей водой в требуемых количествах и требуемого качества.

В состав системы водоснабжения входят следующие сооружения:

а) водоприемные сооружения (водозабор);

б) водоподъемные сооружения (насосные станции);

в) сооружения для очистки, обработки и охлаждения воды;

г) водоводы и водопроводные сети;

д) башни и резервуары. Это регулирующие и запасные емкости для сохранения и аккумулирования воды.

На состав и схему системы водоснабжения большое влияние оказывают местные природные условия, источник водоснабжения и характер потребления воды. Поэтому в некоторых случаях могут отсутствовать те или иные сооружения. Например, в самотечных системах отсутствуют насосные станции, в системах водоснабжения от артезианских скважин нет очистных сооружений, при равномерном графике потребления не устанавливают водонапорные башни или резервуары и т.п.

На предприятиях может быть несколько систем водоснабжения одновременно. Например, отдельно системы производственно-технического, хозяйственно-питьевого назначения.

Систему противопожарного водоснабжения обычно объединяют с какой-либо другой. Чаще всего с хозяйственно-питьевой в силу ее разветвленности. Но может быть создана и отдельная противопожарная система.

1.4 Описание технологического процесса прямоточного водоснабжения

Прямоточная система применяется для хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения. В некоторых случаях применяется и для производственно-технического водоснабжения.

На рис. 1 приведена схема взаимосвязи основных элементов в прямоточной системе водоснабжения. Именно по такой схеме осуществляется водоснабжение городов, поселков и других населенных пунктов.



Рис. 1 - Схема прямоточной системы водоснабжения: 1 - водозабор; 2.1 - насосная станция 1-го подъема; 3.1 - очистные сооружения природной воды; 3.2 - очистные устройства для загрязненных стоков; 4.1 - резервуар чистой воды; 5 - водоводы; 6 - водонапорная башня (резервуар); 7.1-7.6 - потребители воды (цеха, здания); 8 - водопроводная сеть; 9 - сеть трубопроводов для сбора отработавшей воды; 10 - водоохлаждающее устройство

При работе этой системы вода забирается из источника с помощью водозаборного устройства 1 и подается насосами насосной станции 1-го подъема (НС 1) на очистные сооружения 3.1. Здесь обычно вода идет самотеком. Очищенная до необходимого качества она собирается в резервуаре очищенной воды 4.1. Отсюда насосами насосной станции 2-го подъема (НС 2) вода по водоводам 5 подается на территорию предприятия. Из водоводов вода попадает в водопроводную сеть 8 и подается потребителям 7.1-7.6.

Присоединенная к сети регулирующая емкость 6 позволяет сглаживать влияние пиков водопотребления на работу насосов НС 2. Она может быть установлена в любой точке водопроводной сети.

Вся отработавшая вода сбрасывается в источник ниже (по течению) места забора воды. При необходимости эта вода очищается и охлаждается перед сбросом. В этом случае в системе предусматриваются устройства 3.2 и 10.

Недостатки прямоточной системы водоснабжения:

а) производительность всех элементов приходится выбирать из условия покрытия максимума суточного расхода. Это увеличивает размеры сооружений и мощности всех элементов системы, что удорожает ее. Возрастает и удельный расход энергии из-за работы насосных агрегатов бульшую часть времени в нерасчетном режиме;

б) необходим источник с достаточным дебитом воды. Часто он удален от предприятия и приходится сооружать длинные водоводы. Это тоже ведет к удорожанию и снижению надежности системы;

в) в прямоточной системе вся отработавшая вода сбрасывается в природные водоемы. Эти водоемы должны обладать способностью поглощать эти сбросы без нарушения экологического равновесия.

Прямоточная система обеспечивает подачу наиболее качественной воды. Она единственно возможна там, где исключается повторное использование воды. Это в хозяйственно-питьевом и противопожарном водоснабжении.

В техническом водоснабжении часто можно обходиться без очистных сооружений, что удешевляет систему и увеличивает ее надежность.

2. Разработка функциональной схемы автоматизации процесса

2.1 Структурная схема АСУ ТП водоснабжения

При разработке системы автоматизированного управления технологическим процессом водоснабжения необходимо реализовать автоматизированное рабочее место оператора с программным обеспечением, взаимодействующим с контроллером. Также необходимо определить необходимые датчики, которые будут предоставлять информацию о состоянии процесса и исполнительные механизмы, воздействующие на объект.

Структурная схема АСУ ТП производства сухого молока приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема

2.2 Подбор необходимых датчиков, исполнительных механизмов и мест их расположения

Для того чтобы разработать функциональную схему, необходимо сначала определить какого рода информация будет отображаться на ОС, т.е. нужно определить места установки датчиков и их характеристики. Также нам необходима обратная связь с объектом управления, чтобы мы могли оказывать управляющее воздействие. Для этого необходимо подобрать соответствующие исполнительные механизмы. Т.к. разрабатываемая схема функциональная, то достаточно будет определить задачи, решение которых возлагается на тот или иной исполнительный механизм и место его установки.

Описание технологического объекта, приведенное ранее, позволяет определить необходимые датчики:

уровня воды в резервуаре (датчики устанавливаются в резервуары 1, 2);

показателя pH в воде (устанавливаются в резервуар 1);

Выбор датчиков и исполнительных механизмов:

1) Контролировать необходимое количество воды в емкостях необходимо датчиками уровня. Для этих целей нам подойдут бесконтактные сигнализаторы уровня БСУ, которые имеют один входной параметр (уровень), а также малую погрешность - 1,5 мм. Выходной сигнал с датчика - дискретный. На функциональной схеме датчики уровня, согласно ГОСТ 21.404-85 буквенные условные обозначения, будем обозначать буквами LE.

2) Для контроля показателя pH сравним PH-018 (ЭкоЮнит) и pH метр рН-3500е автоматизация контроллер

Рисунок 3 - PH-018

Область применения: мониторинг и контроль pH в промышленных аквариумах, бассейнах, котлах, в промышленных системах подготовки воды и т.д.

Характеристики:

Диапазон измерения pH: 0.00 - 14.00.

Встроенный сенсор для автоматической компенсации температуры (от 0 до 100°C).

Рабочая среда 0-50°C, влажность не более 95%.

Цена деления 0.01pH.

Погрешность +/- 0.02pH.

Токовый выход (для подключения к компьютеру): 4-20 мА.

Входное сопротивление 10*12 Ом.

Калибровка с помощью калибровочной отвертки (в комплекте).

Питание: переменный ток 220В, 50Hz.

Размеры 96 x 96 x 160 мм.

Вес 950 г.

Рисунок 4 - PH-3500

pH метр рН-3500 это промышленный онлайн монитор-контролер водородного показателя рН. Прибор прост в монтаже и использовании, не требует дополнительного оборудования.

Особенности:

· Компактный размер электронного блока.

· ЖКИ монитор с легкочитаемыми цифрами.

· Автоматическая или ручная калибровка по трем точкам, позволяющая проводить высокоточные измерения Функция контроля рН верхнего или нижнего значения с управлением исполнительным механизмом реле.

· Звуковой и световой сигнализацией.

· Электрод в комплекте, врезного типа с внешней резьбой 1/2".

· Стеклянная головка, электрод сравнения AgCl.

· Функция автокомпенсации температуры ATC.

Технические характеристики:

· Диапазон измерения: 0~14 pH (зависит от типа электрода).

· Цена деления: 0.01 pH.

· Погрешность: ±0.1 pH.

· Макс допустимое давление в магистрали для электрода 0.6 Mpa.

· Питание: AC 220V±10% 50Hz.

· Длина кабеля электрода: 10 метров (возможно увеличение до 20 метров).

· Температура измеряемой среды: 0~80.

· Релейный выход: 230V, 5A.

· Аналоговый выход: 4~20 mA.

Сравнив PH-018 (ЭкоЮнит) и pH метр рН-3500 остановим свои выбор на рН -3500. Он более компактный, имеет авто и ручную калибровку. Цветовая и звуковая сигнализация. Автокомпенсация температуры АТС, регулируемая длинна электрода от 10 до 20 метров.

3) В качестве системы очистки воды сравним Nimbus MN800 и фильтр для глубокой очистки воды по принципу обратного осмоса Hubert FL.



Рисунок 5 - Nimbus MN800

Это высокопроизводительная система очистки воды методом обратного осмоса с возможностью использования накопительного бака различного объема.

Система предназначена для работы в тяжелых условиях с плохим качеством исходной воды, а также может использоваться для очистки воды с низким давлением подачи.

Характеристики:

Производительность: 1900л/сут, 2л/мин;

Давление, мин - 1атм, макс 12 атм;

Степень очистки: 96% всех растворенных веществ (вкл. органику и неорганику);

Размер мембраны: 2.5"х25", макс восстановление 33%;

Кол-во мембран - 2;

10" Кальцитовый постфильтр для понижения уровня pH (опция);

Материал корпуса мембранных отсеков - нерж сталь;

Насос повышающий давление, 250 Вт;

Размеры: 1050х480х405мм, вес 42кг.

Рисунок 6 - Hubert FL

Полупромышленный Фильтр для глубокой очистки воды по принципу обратного осмоса Hubert FL

· 5 ступеней очистки:.

· 5-ти микронный осадочный фильтр

· Эффективен в удалении грязи, ржавчины и песка.

· Фильтр из активированного угля.

· Устраняет 99% хлора и органических веществ.

· 0.6-микронный фильтр из прессованного угля.

· Задерживает остаточный хлор и соли жесткости, тем самым оберегает мембрану.

· Высокопроизводительная мембрана обратного осмоса.

· Тонкопленочный композиционный материал (TFC) - использующий принцип селективной очистки.

· До 98% очищает воду, уменьшает концентрацию растворенных солей.

· Постугольный фильтр из спеченного угля с добавками скарлупы кокосовых орехов и серебра.

· Удаляет из воды запах, привкус.

· Улучшает вкусовые качества воды.

· В комплекте отдельный кран и 40-80 литровый резервуар.

· Производительность: 200-400 галлон/день(756-1512 литров/день).

· Применяется в объектах общественного питания, детских садах, школах, медучреждениях, кафе, ресторанах.

В качестве системы очистки воды сравнив Nimbus MN800 и Hubert FL, был выбран Nimbus MN800. Так как он более устойчив для работы в тяжелых условиях. Применяется в больших промышленных объектах. Способен работать с низким давлением.

4) На насосы необходимо поставить пусковые устройства, позволяющие включать и выключать двигатели. Данные устройства работают с аналоговыми сигналами. Обозначение на функциональной схеме NS.

5) Резервуары для воды выбраны: РВС-100 и РВС-200 (100 и 200 м3 - резервуар 1 и 2 соответственно).

2.3 Схема информационных потоков АСУ технологическим объектом

Выбранные датчики, исполнительные механизмы и их месторасположение, а также структурная схема АСУ ТП производства сухого молока позволяют составить схему информационных потоков в АСУ технологическим объектом.

На схеме обозначены направления потоков, а также вид сигнала (аналоговый, цифровой, разрядность).

Схема информационных потоков приведена на рисунке 5.



Рисунок 5 - Схема информационных потоков

водоснабжение автоматический датчик

Входные потоки:

1. Уровень воды в резервуаре 1 (1).

2. Уровень воды в резервуаре 1 (2).

Показатель pH воды в резервуаре 1.

Уровень воды в резервуаре 2.

Выходные потоки:

1.К насосу 1.

2.К насосу 2.

К насосу 3.

2.4 Выбор контроллера для автоматизированной системы

Для контроля данной системы был выбран контроллер ОВЕН ПЛК 110-39

Рисунок 6 - ОВЕН ПЛК 110-39

Программируемые логические контроллеры ОВЕН ПЛК110-30 выполнены в полном соответствии со стандартом ГОСТ Р 51840-2001 (IEC 61131-2), что обеспечивает высокую аппаратную надежность.

По электромагнитной совместимости контроллеры соответствуют классу А по ГОСТ Р 51522-99 (МЭК 61326-1-97) и ГОСТ Р 51841-2001, что подтверждено неоднократными испытаниями изделия.

Рекомендуется к использованию

В системах HVAC.

В сфере ЖКХ (ИТП, ЦТП).

В АСУ водоканалов.

Для управления малыми станками и механизмами.

Для управления пищеперерабатывающими и упаковочными аппаратами.

Для управления климатическим оборудованием.

Для автоматизации торгового оборудования.

В сфере производства строительных материалов.

Оптимально для построения распределенных систем управления и диспетчеризации с использованием как проводных, так и беспроводных технологий.

Вычислительные ресурсы.

В контроллере изначально заложены мощные вычислительные ресурсы при отсутствии операционной системы:

высокопроизводительный процессор RISC архитектуры ARM9, с частотой 180МГц компании Atmel;

большой объем оперативной памяти - 8МБ;

большой объем постоянной памяти - Flash память, 4МБ;

объем энергонезависимой памяти, для хранения значений переменных - до 16КБ;

время цикла по умолчанию составляет 1мс при 50 логических операциях, при отсутствии сетевого обмена.

Условия эксплуатации.

Расширенный температурный рабочий диапазон окружающего воздуха: от минус 10 °С до +50 °С.

Закрытые взрывобезопасные помещения или шкафы электрооборудования без агрессивных паров и газов.

Верхний предел относительной влажности воздуха - 80 % при 25 °С и более низких температурах без конденсации влаги;

Атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа.

Конструктивные особенности.

Контроллеры выполнены в компактном DIN-реечном корпусе. Габаритные и установочные размеры отличаются в зависимости от модификации, и приведены в конце раздела.

Расширение количества точек ввода\вывода осуществляется путем подключения внешних модулей ввода\вывода по любому из встроенных интерфейсов.

Электрические параметры.

Два варианта питания для каждого контроллера:

переменный ток: (90-265)В, (47...63)Гц;

постоянный ток: (18-29)В.

Небольшая потребляемая мощность до 10Вт.

Интерфейсы и протоколы

Все контроллеры данной линейки имеют большое количество интерфейсов на борту, работающих независимо друг от друга:

Ethernet;

До трех последовательных портов;

USB Device для программирования контроллера.

В целом, данный контроллер удовлетворяет разработанной АСУ ТП.

2.5 Функциональная схема технологического объекта

Результатом главы 2 является функциональная схема технологического объекта, отображающая вид датчиков, места расположения датчиков, а также места расположения исполнительных механизмов и пусковых устройств. Функциональная схема приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Функциональная схема системы

Обоснование мест установки датчиков:

Датчик NS 2-1 предназначен для управления насосом 1;

Датчик pH 4-1 предназначен для измерения показателя pH воды в резервуаре 1;

Датчики LE 4-2 и 4-3 предназначены для индикации уровня воды в резервуаре 1;

Датчик NS 5-1 предназначен для управления насосом 2;

Датчик NS 6-1 предназначен для управления насосом 3;

Датчик LE 7-1 предназначен для индикации уровня воды в резервуаре 2.

3. Разработка алгоритмов функционирования

3.1 Алгоритм функционирования СУ технологического объекта

Рисунок 8 - Общий алгоритм функционирования

3.2 Алгоритм запуска технологического объекта

Рисунок 9 - Алгоритм запуска ТП

3.3 Алгоритм функционирования системы

Рисунок 10 - Алгоритм функционирования системы

3.4 Алгоритм остановки системы

Рисунок 11 - Алгоритм остановки системы

3.5 Алгоритм работы системы при аварии

Рисунок 12 - Алгоритм работы системы при аварии

Заключение

Результатом выполнения данного курсового проекта стала разработка АСУ ТП водоснабжения дома. Была разработана модель процесса, которая наглядно позволяет представить реальный технологический процесс. Также были разработаны функциональные схемы, подобраны измерительные устройства (датчики) и контроллер, который осуществляет управление технологическим процессом. Разработаны алгоритмы контроля и управления функционированием ТП.

Размещено на Allbest.ru