В данной работе рассматриваются вопросы проектирования и разработки шкафов управления канализационными насосными станциями. Приводится информация о техническом задании и требованиях, предъявляемых к шкафам управления насосными станциями. Авторами подробно описываются технические требования, основные функции шкафа управления, алгоритм работы шкафа управления, режимы работы системы и дополнительные защитные функции.
Ключевые слова: автоматизация, асу тп, преобразователь частоты, ПЛК, устройство плавного пуска, канализационная насосная станция, гидростатический зонд уровня, Codesys.
Канализационная насосная станция предназначена для приема хозяйственно-бытовых сточных вод из существующей самотечной сети, первичной механической очистки (решетка контейнер) и напорной подачи сточных вод в систему водоотведения. Автоматическую работу КНС обеспечивает шкаф управления насосами.
Рассмотрим последовательно какие вопросы необходимо проработать на стадии проектирования шкафа управления канализационных насосных станций (КНС). В техническом задании на проектирование подробно описываются все требования предъявляемые к шкафу управления системы автоматизации:
— Технические требованиям
— Основные функции шкафа управления
— Алгоритм работы шкафа управления (управление насосными агрегатами)
— Дополнительные защитные функции
— Режимы работы системы
— Описание технологического процесса
— Основные характеристики КНС
— Техника безопасности
При разработке шкафа управления (ШУ) системы автоматизации насосной станции следует знать и учитывать какие технические требования предъявляются к его исполнению. Следующие перечисленные технические требования являются рекомендуемыми к применению при создании новых проектов автоматизации для канализационных насосных станций:
— Степень защиты ШУ не ниже IP31
— Применяемые конструкции и технические средства должны соответствовать нормам по помехоустойчивости, помехоэмиссии и ЭМС.
— Конструктивное выполнение шкафов должно учитывать необходимость обеспечения требований электрической безопасности в отношении поражения человека электрическим током, ЭМС оборудования, температурного режима внутри шкафа для обеспечения безотказной работы устройств, удобство эксплуатации.
— Внешний вид, размещение аппаратуры, надписи и другие компоненты шкафа должны обеспечивать удобство работы персонала
— Все двери должны закрываться стандартным (комплектуемым заводом изготовителем) замком.
— Для крепления шкафа к полу использовать болтовые соединения, крепление с помощью сварки запрещается.
— Требования электробезопасности должны соответствовать ГОСТ 28668.
— Заземляющие зажимы должны соответствовать требованиям ГОСТ 21130.
— Должно быть предусмотрено удобство эксплуатации устройств и оборудования оперативным, ремонтным и наладочным персоналом. Взаимодействие оператора с системой посредством органов световой индикации и органов управления .
Далее рассмотрим какие требования предъявляются к основным функциям шкафа управления. Управление насосными агрегатами в количестве 2–4 единиц системы водоотведения КНС в автоматическом и ручном режиме. Плавный пуск и останов насосов посредством частотного преобразователя. Схема работы 2 рабочих — 2 резервных. В автоматическом режиме происходит смена очередности включения насосов после каждого включения (для равномерной выработки ресурса насосов). Управление насосным агрегатом (дренажный насос) 1 ед в автоматическом режиме и ручном режиме. Контроль наработки по расходу для каждого насоса посредством электромагнитных расходомеров для каждого насоса. Прием сигналов от управляющих контроллеров (с применением промышленных интерфейсов передачи данных) системы водоотведения (ШУ), отопления и вентиляции (ШУ ОВ), вводно-распределительного устройства (ШУ ВРУ), а также от шкафа управления вспомогательных ШУ КНС. Диспетчеризация о неисправностях посредством GSM модема о неисправностях системы водоотведения (ШУ), отопления и вентиляции (ШУ ОВ), вводно- распределительного устройства (ШУ ВРУ), а также от шкафа управления резервной КНС.
Основной алгоритм работы шкафа управления насосами выполняется на базе гидростатического зонда глубины (типа SG-25S, с обозначением — LT), и (или) поплавковых выключателей (LS), преобразователях давления типа PC-28 с мембранным разделителем (PT1 и электромагнитных расходомеров (FR). Технологически насосы образуют 2 группы. Рабочая группа (2 насоса, Н1 и Н2) — резервная группа (2 насоса, Н3 и Н4). Смена групп выполняется по схеме рабочая группа — резервная группа после каждого включения. В зависимости от наработки по расходу (учет расхода электромагнитными расходомерами) производиться пуск первого в группе насоса с меньшей наработкой по расходу. Гидростатический зонд глубины типа SG-25S расположен в приемной камере КНС. Технологически зонд контролирует 4 уровня. Уровни считают снизу вверх. Уровень 1 — уровень останова насосов при опорожнении. На данном уровне отключаются все насосы (независимо от группы, которая была в работе). На втором уровне производится пуска одного из насосов рабочей группы (высота проектная). Плавный пуск посредством частотного преобразователя (ПЧ) или устройства плавного пуска (УПП) с выходом насоса на рабочую точку (уставка по давлению). Насос продолжает работу до достижения уровня 1. В случае неисправности насоса на момент запуска (не исправен частотный преобразователь) происходит смена группы насосов и запускается один из насосов резервной группы с наименьшей наработкой по расходу. Насос продолжает работу до достижения уровня 1. В случае неисправности насоса на момент работы (не исправен частотный преобразователь, сработала системы защиты насоса, насос не вышел на рабочую точку по уставке по давлению) происходит смена группы насосов и запускается один из насосов резервной группы с наименьшей наработкой по расходу. Насос продолжает работу до достижения уровня 1.
Рис. 1. Функциональная схема КНС
Уровень 3 — уровень пуска второго из насосов рабочей группы. Высота выше уровня 2. Плавный пуск посредством ЧП или УПП с выходом насоса на рабочую точку (уставка по давлению). Частотное регулирование не подразумевается. Насосы совместно продолжают работу до достижения уровня 1. В случае неисправности насоса на момент запуска (не исправен частотный преобразователь) происходит смена группы насосов и запускается один из насосов резервной группы с наименьшей наработкой по расходу, затем запускается второй насос группы. Насосы совместно продолжают работу до достижения уровня 1. В случае неисправности насоса на момент работы происходит смена группы насосов и запускается один из насосов резервной группы с наименьшей наработкой по расходу, затем запускается второй насос группы. Насосы совместно продолжают работу до достижения уровня 1. Аварийный уровень 4й, высота проектная. Уровень, при котором рабочая группа насосов отключается, даже если она была в работе. На данном уровне производиться пуск резервной группы насосов. Пуск насосов с задержкой в 10 секунд. Первым запускается насос с наименьшей наработкой по расходу. Насосы совместно продолжают работу до достижения уровня 1. Экстренный режим, в случае фиксации неисправности в процессе работы, либо на момент запуска одного насоса рабочей и резервной групп, то логика управления запускает в работу остальные насосы из каждой группы. Включение неисправных насосов блокируется до момента исправления неисправности и в работе остаются только рабочие насосы. Сухой ход — з ащиту по сухому ходу осуществляет поплавковый выключатель. На данном уровне происходит отключение всех насосов. Одна из причин срабатывания защиты — неисправен гидростатический зонд. При этом обязательна выдача аварийного сигнала оповещения. Требуется предусмотреть возможность контроля неисправности гидростатического зонда до момента срабатывания поплавкового выключателя с выдачей аварийного сигнала. При неисправности гидростатического зонда работа насосов не прекращается до срабатывания поплавкового выключателя. При фиксации неисправности одного из датчиков давления (PT) контроль давления не производится и частотный преобразователь соответствующего насоса работает на полную мощность в независимости от работоспособности датчика. При фиксации неисправности одного из электромагнитных расходомеров — очередность включения насосов по наработке по расходу отключается для всех насосов.
Далее рассмотрим дополнительные защитные функции. Преобразователи давления типа PC-28 (PT) с мембранным разделителем установлены на напорных трубопроводах насосных агрегатов. Применение данных преобразователей несет следующие защитные функции:
1. Защита насосов от работы без жидкости (полностью на сухую работу). Не сработали поплавковый датчик уровня (сухой ход) и неисправен гидростатический зонд.
2. Не выход насоса на рабочую точку по давлению. Показания преобразователя считываются с момента включения насоса с задержкой 8–10 сек. Время задержки фиксируется на момент проведения пусконаладочных работ до достижения насосом рабочего давления (фиксация давления производится посредством соответствующего манометра PI). Давление, развиваемое насосом зафиксированное при проведении пусконаладочных работ, является рабочим (давление уставки). Не выход насоса на рабочую точку по давлению является неисправностью. Работа насоса блокируется до следующего включения. Если насос снова не вышел на рабочую точку при повторном включении, то работа насоса блокируется полностью до выяснения причин неисправности.
3. Защита насоса от работы на закрытую задвижку. Показания преобразователя считываются с момента включения насоса (насосов), с задержкой 8–10 сек. Давление развиваемое насосом зафиксированное при проведении пусконаладочных работ является рабочим (давление уставки). Если при работе насоса в штатном режиме давление превышает давление уставки на 10–15 %, то насос выключается. При повторном превышении давления уставки работа насоса блокируется, до выяснения причин неисправности.
Далее описываются требования к технологическому процессу. Канализационная насосная станция рассчитана на продолжительно- периодическую работу в автоматическом режиме. КНС включает в себя необходимое технологическое и вспомогательное оборудование, обеспечивающее работу в автоматическом режиме — шкафы управления насосами. Перед началом работы станции необходимо проверить состояние трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, насосного оборудования; состояние и уровень наполнения стоками приемного резервуара. Основная задача КНС: прием сточных вод, аккумулирование и дальнейшее отведение по напорному трубопроводу в систему водоотведения. Ежедневно необходимо проверять состояние технологического оборудования. Также перед началом работы необходимо проверить состояние подключения электрооборудования, освещение помещений, изоляцию основных проводов и кабелей, работоспособность системы вентиляции. В целях своевременного выявления неисправностей, износа и других недостатков в сооружениях и оборудовании, кроме дежурного обслуживания должны проводиться периодические осмотры, как общие, частичные, так и внеочередные. Периодические осмотры представляют собой комплекс профилактических мероприятий, направленных на создание наиболее благоприятных условий работы сооружений и оборудования, своевременное предупреждение возникновения неисправностей. Периодические осмотры проводятся по графику, утвержденному вышестоящим руководством. Периодические осмотры осуществляются техническим руководителем участка совместно с обслуживающим персоналом, а в необходимых случаях и ремонтным персоналом. В процессе осмотра производится опись всех выявленных дефектов, которая заносится в журнал осмотров и ремонтов оборудования и сооружений. Во время осмотров проверяют состояние оборудования и сооружений, производят чистку, промывку, продувку и другие профилактические работы. На основании записей, сделанных в журналах осмотров и ремонтов, составляется дефектная ведомость, в которой указываются неисправности и меры, необходимые для их устранения. Выявленные во время периодических осмотров дефекты устраняются по возможности немедленно или подлежат устранению при очередном текущем или капитальном ремонте, в зависимости от характера дефекта.
В приемном резервуаре монтируется уровнемер LT. Уровнемер обеспечивает автоматический режим работы (запуск/останов) насосных агрегатов основной рабочей группы. Для подачи сточных вод в систему водоотведения поступивших в приемный резервуар КНС предусмотрены центробежные горизонтальные консольные насосные агрегаты. В технической документации (паспорт станции, технический регламент или инструкция по эксплуатации) указываются характеристики рабочей точки Q, м³/ч, Н, м, мощность электродвигателя Р 2, кВт.
В руководстве пользователя предоставляется следующая информация:
— описание технологической схемы;
— алгоритм работы системы автоматизации системы водоотведения;
— технические характеристики оборудования;
Станция по надежности действия относящийся к первой категории предусматривает 2 рабочих и 2 резервных насосных агрегата. Работа всех насосных агрегатов предусмотрена от ПЧ или УПП. По существующей схеме сточные воды от каждого из насосных агрегатов по напорным трубопроводам подаются в общий сборный напорный коллектор. Общий сборный коллектор имеет два выпуска из КНС, расположенные симметрично.
Режимы работы системы: система водоотведения КНС предусматривается в двух режимах: автоматический режим и ручной режим. В автоматическом режиме автоматизация процесса предусматривается без участия оператора. Все тумблеры лицевой панели шкафа управления должны быть переведены в положение «Авт». В этом режиме система автоматизации сама отрабатывает алгоритм работы системы, включение и выключение насосов, контроль работы насосов, их исправность, контроль уровня жидкости в приемном резервуаре, исправность датчика контроля уровня. В автоматическом режиме на сенсорной панели управления отображено какой из насосов в работе, индикация уровня жидкости и другие информативные элементы системы. В сенсорной панели управления предусмотрено несколько диалоговых окон. Основное окно — отображены насосные агрегаты, их состояние (работает или нет), уровни жидкости и дополнительные информационные данные. При нажатии кнопки «Меню» высвечивается окно с выбором дополнительных функциональных окон. «Настроить уровни», «Журнал аварий». В окне «Настроить урони» производиться настройка уровней контроля жидкости. Данные для каждого уровня вводятся в миллиметрах. В окне «Журнал аварий» просматриваются все информационные данные по аварийным ситуациям. Ручной режим предназначен для ручного управления насосным оборудованием. Использование ручного режима допускается в период проведения пусконаладочных работ и регулировки на момент запуска системы в работу и в периоды технического обслуживания КНС. Для перевода в ручной режим на лицевой панели шкафа управления перевести тумблер соответствующего насоса в положение «Руч» и нажать кнопку «Пуск». В зависимости от уровня жидкости в приемном резервуаре происходит пуск выбранного насоса. Останов насоса производиться нажатием кнопку «Стоп». В автоматическом и ручном режимах при включении насоса загорается соответствующая работающему насоса лампа «Работа». При аварии насоса загорается соответствующая лампа «Авария». Для настройки работы насосов от преобразователей частоты на лицевую панель шкафа управления насосами вынесены панели от частотных преобразователей. Присутствует возможность настройка частоты (Гц) и иных параметров частотных преобразователей.
На последней стадии разработки шкафа управления системы автоматизации КНС рассматриваются вопросы техники безопасности. Раздел ТБ подготавливается на основании РД 09–251–98 «Положение о порядке разработки и содержании раздела «Безопасная эксплуатация производств» технологического регламента», утвержденного постановлением Госгортехнадзором России от 18 декабря 1998г. № 77. Основные опасные и вредные факторы, специфичные для канализационных очистных сооружений, определены следующими нормативными материалами:
ГОСТ 12.3.006–75 «ССБТ. Эксплуатация водопроводных и канализационных очистных сооружений и сетей. Общие требования безопасности»;
ПУЭ — 7-е издание «Правила устройства электропроводок»; СНиП 31–03–2001 «Производственные здания»;
СНиП 3.05.05–84 «Технологическое оборудование и технологические трубопроводы», г. Москва. Госстрой, 1984 г.
РД 38.13.004–86 «Эксплуатация и ремонт технологических трубопроводов под давлением до 10,0 МПа (100 кг/см2)», г. Москва, «Химия» 1988 г.
ГОСТ 12.3.020–80 «Процессы перемещения грузов на предприятиях. Общие требования безопасности».
ГОСТ 12.3.009–76 «Работы погрузочно-разгрузочные. Общие требования безопасности».
Таким образом, в данной статье приведена полная информация по проектированию шкафа управления традиционных АСУ КНС. Данный материал обладает практической значимостью, носит рекомендательный характер и может быть использован при разработке новых проектов. Представленные данные предлагается использовать в качестве стандартных для классических решений по автоматизации насосных станций.
